Отдел продаж

Телефоны: (3532) 25-27-22, 93-60-02, 93-50-02

E-mail: [email protected]

г.Оренбург, ул.Беляевская, д.50/1, стр.1

 

Разное

Накопитель тепла: Накопитель тепла в системе отопления – как работает, какие дает преимущества?

Содержание

Теплоаккумулятор в наличии для котлов отопления российского производства

Описание


Теплоаккумулятор (второе название — буферная емкость) представляет собой теплоизолированный герметичный резервуар, работающий под давлением системы отопления.


Водяной теплоаккумулятор для отопления применяется в системах с твердотопливными и электрическими котлами для повышения удобства использования, эффективности и безопасности работы системы. Наиболее часто теплоаккумуляторы используются в частных загородных домах и на предприятиях, которые стремятся повысить свою энергоэффективность.

Достоинства при использовании в частных домах


Котел достаточно топить один раз в сутки
Аккумулятор тепла значительно увеличивает объем системы отопления, что позволяет топить котел один раз в сутки, в сильные морозы – два раза в сутки.


В доме всегда тепло, даже утром
Накопленное тепло равномерно в течение суток поступает из теплового аккумулятора в систему отопления. Используя теплоаккумулятор для отопления из нержавейки или конструкционной стали можно избежать таких сомнительных ухищрений, как прикрывание заслонки котла для увеличения времени горения, что категорически вредно для котла и снижает его срок службы из-за закоксовывания теплообменника, дымохода и образования разъедающего котел конденсата.


Котел максимально эффективен и экономичен
Благодаря теплоаккумулятору, твердотопливный котел всегда работает в полную мощность, топливо полностью прогорает. Это повышает КПД котла до 80% и снижает количество потребляемого топлива на 40%, также предотвращает образование конденсата и закоксовывание теплообменника котла и дымохода, что положительно сказывается на их долговечности.


Безопасность и защита системы от перегревания
На территории ЕС законодательно запрещена установка твердотопливных котлов без теплоаккумуляторов по соображениям экологичности и безопасности. Это связано с тем, что, если в системе отопления не установлен теплоаккумулятор, в случае отключения электричества и остановки циркуляционного насоса, высока вероятность перегревания и закипания котла. В худшем случае возможен даже взрыв котла – со всеми сопутствующими последствиями. Если же в системе установлен теплоаккумулятор, то при отключении электричества и прекращении циркуляции теплоносителя теплоаккумулятор аккумулирует избыток тепловой энергии и предотвращает возникновение негативных последствий перегревания системы.

Преимущества использования на предприятиях


Использование теплоаккумулятора на предприятии, позволяет задействовать невостребованные источники тепловой энергии для нужд отопления помещений. Среди таких источников: техническая горячая вода от технологических процессов, тепловая энергия, вырабатываемая в процессе работы систем кондиционирования и охлаждения и т.д.


Применение теплоаккумулятора в системах с электрическим котлом позволяет использовать двухтарифную систему расчета стоимости электроэнергии.


В этом случае электрический котел работает по льготному тарифу в ночное время, а теплоаккумулятор для отопления накапливает тепловую энергию, возвращая ее в систему уже в рабочее время, когда электроэнергия значительно дороже.


Если вы хотите купить теплоаккумулятор для котлов отопления российского производства Electrotherm, обратитесь к нашим консультантам или напишите на адрес [email protected]

Теплоаккумулятор Electrotherm 500 B (на 500 литров / 0,5 куба)

Внутренний бак из высокопрочной конструкционной стали с покрытием


Толщина стали от 3 мм, внутреннее покрытие состоит из керамики с особыми компонентами. Покрытие надежно защищает внутренний бак от коррозии и устойчиво к деформации. Теплоаккумуляторы с покрытием используются для нагрева и хранения питьевой воды, воды для санитарных нужд (душевые, прачечные, бассейны и т.п.) и воды для технических нужд, что подтверждается соответствующим экспертным заключением.


Снаружи бак покрывается специальной краской, которая обладает водоотталкивающими свойствами, служит для защиты бака от агрессивного воздействия окружающей среды и от внешних механических повреждений при транспортировке и подключении.


Интересный факт: для внешней покраски используется покрытие того же изготовителя, что и для Эйфелевой башни в Париже и моста «Золотые ворота» в Сан-Франциско.

Внутренний бак из высокопрочной конструкционной стали без покрытия


Толщина стали от 3 мм, емкости с баком из конструкционной стали применяются в замкнутых системах отопления в качестве теплоаккумулятора (буферной емкости) и в системах вентиляции в качестве холодоаккумулятора. Снаружи бак покрывается специальной краской, которая обладает водоотталкивающими свойствами, служит для защиты от внешнего воздействия коррозии, и внешних механических повреждений при транспортировке и подключении.


Интересный факт: для внешней покраски используется покрытие того же изготовителя, что и для Эйфелевой башни в Париже и моста «Золотые ворота» в Сан-Франциско.

Внутренний бак из нержавеющей стали


Теплоаккумуляторы из нержавеющей стали используются для нагрева и хранения питьевой воды, воды для санитарных нужд (душевые, прачечные, бассейны и т. п.) и воды для технических нужд. Для изготовления применяется нержавеющая сталь европейского производства (Франция, Финляндия) марки AISI 321 с добавлением титана т.к. она обладает лучшими антикоррозионными свойствами, чем традиционно применяемые стали AISI 304 и AISI 304L.


Почему важна страна производства стали: свойства нержавеющей стали определяет содержание в ней легирующих добавок (по большей части хрома и никеля), которые и придают стали антикоррозионные свойства. В европейской стали содержание легирующих добавок выше, и сталь обладает более сильными антикоррозионными свойствами, в сравнении с некоторыми видами российской стали, где для удешевления используется минимальное количество легирующих добавок на нижней границе стандарта.

Теплоаккумуляторы всех типов проходят испытания избыточным давлением


Испытания проходит каждый произведенный теплоаккумулятор. Испытательное давление составляет до х2 от номинального рабочего давления. Это значит, что теплоаккумуляторы с рабочим давлением 3 бар испытывают под давлением 6 бар, что подтверждает исключительную надежность и качество оборудования


Высокая надежность теплоаккумуляторов Electrotherm обусловлена тщательным выбором материалов и использованием сварочного оборудования и оригинальных присадочных материалов ведущих европейских концернов.


Узнать больше о достоинствах продукции Electrotherm, Вы можете здесь ›.

Буферные накопители тепла | Профбак

Буферная емкость или теплонакопитель представляет собой цилиндрический герметичный бак работающий при избыточном давлении от 2 до 6 бар, покрытый теплоизоляцией. По сути это большой термос, который накапливает и сохраняет поступившее тепло от отопительного прибора, для дальнейшей отдачи его в систему отопления в течении определенного времени.

Принцип работы отопительной системы с твердотопливным котлом и баком накопителем.

Допустим Вам необходимо отопить дом площадью 180-220 кв. м. В летнее время температура (+ 20-23 гр. С. — считается самая комфортная ) в доме и на улице одинакова, т.е, теплопотери равны нулю. С сезонным уменьшение температуры, дом начинает терять тепло. При понижении температуры в среднем на 5 гр. С. потери оставляют около 2 кВт, т.е при +10 гр.С теплопотери составляют 4 кВт, при 0 гр. С. 8 кВт, а при -25-30 гр. С. потери тепла составят в среднем уже 18-20 кВт. И для компенсирования этих потерь тепла нам необходим отопительный котел мощностью 20 кВт, а лучше с запасом до 30 кВт (для холодной зимы в зависимости от региона). Если сравнивать газовый (управлять мощностью которого очень легко, так сказать одной рукой) и твердотопливный котел, то становится очевидным, что управление мощностью последнего сводится к двум режимам. Первое дрова либо горят (максимальная мощность , т.е 20 квт), либо уже сгорели (минимальная мощность 0 кВт). Конечно можно управлять подачей кислорода, закрыв заслонку, и снизив интенсивного сгорания дров, но на эффективность котла это особо не скажется, поэтому допускаем выдаваемую мощность котла около 15 кВт. А теперь вообразим, что зима закончилась и началась ранняя весна с температурой «за бортом» +0 гр. С. Котел выдает на минимуме 15 кВт, теплопотери составляют 8 кВт, и у нас получаются лишние 7 кВт, дом перегревается, мы открываем форточки, сквозняк и т. д. И не топить нельзя, тогда будет холодно. В итоге получается, что дров мы сжигаем на 15 кВт, т.е в два раза больше, чем необходимо. Назревает вопрос — что делать с избыточным теплом?. Так или иначе, но мы имеем ПЕРЕГРЕТЫЕ радиаторы или ПЕРЕГРЕТЫЙ котел со всей системой. Не очень комфортная ситуация. А если мы поставим между котлом и радиаторами буферный накопитель, то вопрос с избытком тепла легко решается, оно просто уходит на нагрев воды или теплоносителя в самой емкости. Более того, при установки в отопительную систему аккумулирующего бака мы получаем еще несколько дополнительных плюсов.

1. Автоматизация контроля безопасности и снижение температурной нагрузке на все отопительную систему, что увеличивает срок ее службы и сводит к минимуму мелкие аварии или протечки системы.

2. Увеличивается КПД самого котла до 85%, что также ведет к увеличению срока службы и более правильной работы отопительного прибора.

3. Возможность работы буферной емкости не только как температурный, но и как гидравлический распределитель («гидрострелка») или коллекторная группа (при дополнительной группе патрубков).

4. При установке на буферный бак нагревательных элементов ( ТЭНов) возможно комбинировать систему нагрева ( например днем твердотопливный котел, ночью – ТЭНы). При двухтарифных счетчиков (день-ночь) такая система наиболее эффективна, т.к позволяет существенно снизить затраты. Также нагрев емкости посредством ТЭНов наиболее комфортен и экономически обоснован в период весной-осенью, или холодным летом.

5. При возможности купить буферную емкость с теплообменником клиент получает возможность разделить контуры отопления, например с возможностью добавления контура с антифризом. Очень удобно, если планируется помимо радиаторного отопления использовать еще «теплый пол».

6. При покупке теплоаккумулятора с несколькими теплообменниками, Вы получаете возможность подключить в единую отопительную систему дополнительные источники тепла, такие как тепловой насос или солнечный коллектор, электрический или другой котел, печь-камин и т.д. и замкнуть управление всей отопительной системе на саму буферную емкость ( конечно при грамотном подборе необходимой автоматики).

К недостаткам аккумулирующих баков накопителей можно отнести его недешевую стоимость, а также ВЕС и ГАБАРИТЫ самой емкости. При проектировании новых систем, это обязательно должно учитываться. А при уже существующем доме нужно отталкиваться от размеров дверных проемов.

Поэтому ТЕПЛОАККУМУЛЯТОРЫ марки «ПРОФБАК» это идеальное решение вопроса при выборе и покупки буферной емкости. При средней стоимости бака, изготовленного из нержавеющей «немагнитной» стали 304 (12Х18Н10-пищевая), Вы получаете очень надежное и долговечное оборудование с минимальным весом и обсуждаемыми габаритами емкости, необходимой комплектацией и подходящими диаметрами, расположением и количеством резьбовых или фланцевых соединений. Например самая популярная модель теплоаккумулятор «Профбак» серии ТА 750 ВС, объем 750 литров имеет вес 99 кг (без воды), диаметр 796 мм и высоту 1500 мм ( без изоляции), что позволяет без особых осложнений внести его через проем от 800 мм и высотой потолка 1800 мм. Объем 750-1000 литров это самый оптимальный объем при выборе буферного бака исходя из мощности котла 20-30 кВт (грубый расчет 30-50 литров на 1 кВт мощности котла). Более точный расчет объема буферной емкости специалисты компании ООО «ПрофТех» готовы произвести бесплатно в минимальные сроки с возможностью выезда при необходимости на объект заказчика.

 

Неперехваченное исключение

Не во всех системах отопления нужны тепловые аккумуляторы. В данной статье рассмотрим подробно, где их использование будет рациональным и какие преимущества имеет теплоаккумулятор. 

Содержание:

  1. Технические характеристики
  2. Функции
   2.1 Функции теплового аккумулятора в твердотопливном котле
   2.2 Функции теплового аккумулятора в электрическом котле
   2.3 Функции теплового аккумулятора в многоконтурном отоплении
  3. Как подключить тепловой аккумулятор
  4. Как рассчитать тепловую емкость

Технические характеристики

Аккумуляторный бак для отопления представляет собой емкость с патрубками, которая имеет квадратное или цилиндрическое сечение. Имеет объем 200-3000 литров.

Некоторые характеристики тепловых аккумуляторов:

  • Если вы планируете установить бак в неотапливаемом помещение, то для избегания потерь тепла следует утеплить аккумулятор. Для этого достаточно нанести до 10 см вспененного пенополиуретана. Если у вас есть возможность, то не помешало бы утеплить аккумулятор, который размещен в отапливаемом помещении. Это позволит прибору работать на полную мощность. 
  • Самыми долговечными являются аккумуляторы, изготовленные из нержавейки. Они имеют хорошие характеристики, но и стоимость такого оборудования высока. Не менее популярными являются тепловые аккумуляторы из черной стали. Процесс коррозии замедляется за счет воды, которая становится инертной. 
  • В зависимости от количества контуров и отопительной системы, аккумулятор может иметь от 4 до 20 патрубков. 
  • Если на баке установлены фланцы для устройства трубчатого электронагревателя, то при их большой мощности аккумулятор сможет выполнять функцию полноценного электрического котла.  
  • Бак можно разделить на несколько секций, которые связаны горизонтальными перегородками. Таким образом, будет более выражено расслоение воды по температуре внутри бака. 
  • Внизу бака можно установить в качестве дополнительного источника отопления теплообменник, к которому будет подключаться солнечная батарея. Располагают, теплообменник именно в нижней части для более эффективной теплоотдачи. Он будет работать эффективно даже в темное время суток. 
  • Емкость в аккумуляторе может быть оснащена теплообменником, который способен приготавливать горячую воду для питья. В качестве его может выступать накопительный бак или пластинчатый теплообменник. Затраты на подогрев питьевой воды будут совсем незначительны. 

Функции

Аккумуляторы тепла в первую очередь устанавливают для выполнения основной функции: накопление в запас тепловой энергии. Но во многих случаях, оборудования отлично работают и без аккумуляторов. Так в каких же случаях следует устанавливать тепловой аккумулятор?

Функции теплового аккумулятора в твердотопливном котле

Для твердотопливного котла применение теплового аккумулятора полностью оправдано. Ведь при эффективной работе топливо сгорает с наименьшим количеством остатков, в которые входят кислоты, зола и деготь. А работает котел на полную мощность и с максимальным КПД. Регулировать мощность можно только, ограничив поступление воздуха в топке. Такая система означает, что радиаторы раскаляются на полную мощность, а затем остывают. Естественно такой режим работы приносит к быстрому изнашиванию труб, соединений и температура в помещении становится некомфортной. 

При использовании теплового аккумулятора тепло, которое вырабатывается котлом при полной мощности, будет уходить на подогрев воды в баке. При этом после того как топливо сгорело, вода продолжает циркуляцию между баком и батареями, забирая тепло постепенно.

При установке теплоаккумулятора расход топливо значительно снизится, а система отопления прослужит дольше, и котел будет работать в щадящем режиме. 

Функции теплового аккумулятора в электрическом котле

Есть некоторые преимущества при использовании теплового аккумулятора в электрокотлах. Самым главным является экономия электроэнергии. Ведь отапливать дом с помощью электричества весьма затратно. Такие котлы могут регулировать мощность плавно и нет необходимости их частого обслуживания. Стоимость электроэнергии при двухтарифном счетчик в ночное время может быть разной. Происходит это при разгрузке энергосистемы, а также днем в часы наибольшего потребления. Ночью котел автоматически включается с помощью таймера и нагревает тепловой аккумулятор до температуры равной 90°. А днем энергия, которую накопил теплоаккумулятор, расходуется для отопления дома. 
С помощью регулирования циркуляционного насоса можно дозировать расход теплносителя. Поэтому двухтарифный счетчик и аккумулятор могут сэкономить затраты электроэнергии.

Функции теплового аккумулятора в многоконтурном отоплении

Преимущество накопительного бака заключается в возможности одновременно его применять с аккумуляцией энергии, как гидрострелку. В высоком баке на поверхности располагаются больше 4 патрубков. В некоторых случаях казалось достаточным только 2: для входа и выхода. Но в разных уровнях можно получать воду разной температуры. Следовательно, может быть получена высокая температура в контурах батарей, а также низкая температура для системы «теплый пол». Но обязательно следует использовать насосы, в которых есть схема термоконтроля. Вода может иметь разную температуру в одном уровне при заборе ее в разное время. Патрубки можно использовать не только для контуров в отоплении, но и для подключения разных котлов к тепловому аккумулятору. 

Как подключить тепловой аккумулятор

Рассмотрим более подробно, как выглядит отопительная система с тепловым аккумулятором. 

Система подключения теплоаккумулятора очень похожа с подключением гидрострелки. И единственными отличиями между ними являются объем и теплоизоляция. Устанавливают аккумулятор между обратными и подающими трубопроводами, которые идут от котла.

В нижней части бака подключается обратка, а к верхней части подача. Отопление, которое требует высокой температуры, отбирают воду вверху бака, а отопление с низкой температурой, соответственно внизу емкости. 

Как рассчитать тепловую емкость

Если тепловой аккумулятор имеет объем равный 2 кубометрам и при этом дельта температур равна 20°, то такой бак сможет отдавать 168 мегаватт мощности и это лишь за 1 секунду. За 9 часов сможет отдавать около 5 киловатт. Это условие соблюдается, если в качестве теплоносителя используется вода.

Читайте также:

Аккумулятор тепла NIBE BU 300-8

Аккумулятор тепла NIBE BU 300-8 объемом 300 литров

Теплонакопитель серии BU 300-8 является представителем классического теплоаккумулятора, который представляет из себя буферный бак с четырьмя патрубками, имеющий съемную теплоизоляцию из пенополистирола. Функционально приборы данной серии предназначены для аккумулирования тепла от источника для последующей передачи его в отопительную систему.

Преимущество аккумуляторов тепла NIBE

  • Повышают эффективность работы отопительной системы
  • Работают со всеми видами отопительных котлов, тепловых насосов, солнечных коллекторов
  • Экономят ресурсы при использовании дифференцированного по времени суток тарифа на электроэнергию в системах отопления с электроотопительным котлом
  • Незаменимы для регулирования теплопотребления в системах отопления с твердотопливным котлом
  • Обеспечивают максимальное накопление тепла при работе солнечного коллектора во время пика поступления солнечной энергии.

Теплонакопитель (тепловой аккумулятор) — это стальная емкость, которая изолирована специальным образом, чтобы накапливать тепловую энергию и отдавать её некоторое время спустя.

Прибор собирает энергию, когда возникает её избыток при работе со слабо контролируемыми источниками тепла:

  • Твердотопливными котлами;
  • Каминами с водяной рубашкой;
  • Геотермальными насосами и так далее.

Теплонакопители (тепловые аккумуляторы) помогают дополнительно использовать энергию этих устройств, рационально применяя её в дальнейшем.

 

Сфера применения теплоаккумуляторов NIBE BU300-8

Теплонакопители уместно использовать в следующих случаях:

  • Когда Вы сжигаете твёрдое топливо (дрова, уголь или торф). При его горении пропадает масса энергии, но тепловые аккумуляторы предотвращают теплопотери.
  • При экономии средств за счёт ночного тарифа на электричество. Теплонакопитель заряжается в тёмное время суток, а днём отдаёт вам энергию.
  • При нестабильной подаче тепловых ресурсов. Например, если Вы используете солнечные батареи или потребляете в определённый период времени гораздо больше тепла, чем обычно (при пиковых нагрузках). Теплонакопители помогают выравнивать кривую энергозатрат (в том числе и при внезапном похолодании на несколько дней).
  • Когда Вы применяете три и более источника энергии для отопления или горячего водоснабжения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Объем, л. 300
Материал изготовления Сталь
Вес, кг 80
Размеры (ДхШхВ) мм D 650 х 1576
Присоед-ный размер 2″
Страна производства: Швеция
Максимальное давление, bar 6

что такое аккумулятор тепла и для чего он нужен?

Ни для кого не секрет, что даже в наше время далеко не все дома подключены к системе центрального отопления. Однако это не является большой проблемой, ведь практически каждый дом можно оборудовать автономной отопительной системой, которая практически ничем не будет уступать системе центрального отопления. При монтаже такой системы желательно использовать бак аккумулятор. Однако что-же это такое и для чего он нужен? Давайте попробуем ответить на этот вопрос!

Итак, по другому бак аккумулятор называется аккумулятором тепла. Как не сложно догадаться исходя из названия, назначение такого бака заключается в сохранении тепла. Если говорить более конкретно, то в баке сохраняется теплая жидкость. По сути аккумулятор тепла представляет собой огромный бак, изготовленный из таких материалов, которые не позволяют остывать воде, находящейся внутри него.

Вообще, аккумулятор тепла может быть изготовлен из стекловолокна, нержавеющей стали или углеродистой стали. Каждый из этих материалов имеет как свои достоинства, так и свои недостатки.

Как правило, аккумуляторы тепла, изготовленные из углеродистой стали, обладают наиболее низкой стоимостью. На такую сталь с внутренней стороны бака может быть нанесено специально вещество, которе будет препятствовать образованию коррозии. Однако в продаже встречаются и аккумуляторы тепла, изготовленные из углеродистой стали, не обработанной никакими антикоррозийными веществами.

Самые долговечные аккумуляторы тепла изготавливаются из нержавеющей стали. Дело в том, что коррозия является одной из главных причин выхода из строя аккумулятора тепла. Однако нержавеющая сталь не подвержена коррозии, а следовательно и аккумулятор тепла прослужит вам довольно долго. Стоит отметить, что аккумуляторы тепла, изготовленные из нержавеющей стали, стоят довольно дорого. Это и является их главным недостатком.

Естественно, что дверные проемы некоторых домов просто-напросто не позволяют пронести через них аккумулятор тепла нужного размера. В этом случае можно установить аккумулятор тепла, изготовленный из стекловолокна. Главное достоинство таких аккумуляторов тепла заключается в том, что они разборные. Аккумулятор тепла, изготовленный из стекловолокна, можно без проблем пронести в дом по частям и собрать на месте.

Возможно вы задаетесь вопросом, а зачем вообще нужен аккумулятор тепла. А нужен он для более оптимального использования всей автономной отопительной системой. Благодаря котлу расход топлива станет несколько ниже, а сама система будет работать без нареканий гораздо больший временной промежуток.

Аккумулятор тепла — Сияние

Аккумулятор тепла

Вы сделали ранние садовые посадки в теплице или в открытом грунте под укрывным материалом. Днем все хорошо, растения получают достаточно тепла и хорошо развиваются. Однако ночью не все так гладко. Температура воздуха в теплице ночью всего на 2-3 градуса выше, чем окружающего воздуха. А если сильный возвратный заморозок? Растения в таком случае замерзнут и в теплице. Что делать?

Топить печь? Не выход – многие садоводы приезжают на дачу только на выходные. А ведь днем достаточно тепло. Вот бы накапливать дневное тепло и использовать его для согрева растений ночью! Это возможно, причем без всяких сложных промышленных устройств.

Приспособление, накапливающее и отдающее тепло, называется аккумулятор тепла. Не важно, какую орму имеет аккумулятор тепла, главное – из какого материала он сделан. Выполняют его из любого материала, который медленно нагревается и медленно остывает.

Представим два дома, в одном печка железная, в другом кирпичная. Железная печь быстро нагревается и прогревает воздух в доме. Но если ее не топить, она также быстро остывает и в доме быстро становится холодно. Кирпичная печь долго нагревается, но также долго отдает накопленное в себе тепло. В доме с кирпичной печью будет тепло достаточно долго после прекращения топки печи. Кирпич является аккумулятором тепла. Он долго нагревается и долго остывает. Железо по сравнению с кирпичом менее лучший аккумулятор тепла.

Таким образом, если мы поместим на грядках аккумуляторы тепла, растения будут получать больше тепла. Днем АТ будут прогреваться, особенно находясь на солнце. А ночью отдавать свое тепло. Материалы, из которых получаются хорошие аккумуляторы тепла: кирпич, бетон, камень, щебень, вода.

Для создания аккумулятора тепла предлагается рукав шириной 20 см из черной полиэтиленовой пленки. Один конец рукава для герметичности перекручивается и завязывается бечевкой, изолентой или пластиковым хомутом. Рукав укладывают на грядке, в него наливают воду и второй конец тоже перекручивают и завязывают.

Особенность использования аккумулятора тепла – за день он может особо и не прогреться. Но это ничего не значит, он все равно защитит растения от возвратного заморозка. Упрощенный пример. К вечеру вода в рукаве прогрелась до 250С, на ощупь рукав с водой теплым не будет. Ночью случился заморозок -50С. Накопленное в воде тепло повысило температуру воздуха на восемь градусов. Температура воздуха на садовом участке была минус пять, возле растений с АТ плюс три, вода остыла до такой же температуры. Растения остались не поврежденными.

                                                 Аккумулятор тепла возле винограда

АТ возле томатов Так нужно загерметизировать рукав

Рукав для создания аккумулятора тепла

реализуется отрезками:

— 5 метров,

— или любой нужной вам длины.

Отрезки могут быть запаяны по торцам (зависит от региона)

Для заполнения такого рукава водой, надрежьте уголок торца

рукава, вставьте в него шланг и наполните водой. После

этого перекрутите этот конец и завяжите шпагатом (хомутом).

                         АТ возле перцев

История применения: «Мне нравится пробовать у себя на участке разные новинки центра «Сияние». Но по поводу теплоаккумулятора я долго раздумывал. И цена мизерная, да как-то непривычно раскладывать по грядкам пакеты с водой. Потом решил попробовать, взял несколько отрезков, наполнил водой и положил в теплице вдоль высаженной рассады. Причем сделал это в конце весны, когда заморозков обычно не бывает. А тут буквально в первую ночь мороз, градусов под семь! Утром выхожу из дома, а на растениях иней. Думал конец рассаде! Захожу в теплицу, где рассада и рукава, вроде растения нормальнаые. Заглянул к соседям, у них тоже растения стоят в теплицах как солдаты. Ну, думаю, в теплицах теплоаккумулятор вроде и не нужен. А потом встало солнце, пригрело воздух в теплицах и все изменилось. У соседей все листья съежились и поникли. А у меня как были, так и остались целыми. После этого я сообразил, что утром у соседей рассада хорошо выглядела потому, что она просто замерзла, вот и стояла. В общем, во всем нашем садовом обществе я один остался с живыми растениями после этих заморозков. Причем мороз был среди недели. А когда соседи приехали в субботу на свои участке, то в обществе весь день стоял плач женщих и ругань мужчин. И я их понимаю — с февраля три месяца выращивали рассаду и буквально за одну ночь ее всю лишились.

Ко мне соседи заходили посочувствовать — «ну как, Сергей, ты теперь будешь без томатов и перцев?» Я им показываю свои живые растения, так у них глаза квадратные становятся. На следующий год все, кто у меня был, собрались тоже после высадки рассады тоже использовать теплоаккумуляторы. Расходы на них копеечные, а могут сохранить трехмесячный труд.

Кстати, соседи понапокупали себе рассады на рынке, и у них повырастало не поймешь что. Плоды какие-то безвкусные и урожайность почти у всех была близка к нулевой. Я до этого подумывал перестать выращивать рассаду самому и покупать ее на рынке. Но после этого случая решил продолжить это делать самостоятельно».

Сергей Петров, Новосибирск

Аккумулирование тепла – обзор

Заключительные замечания

TES считается передовой энергетической технологией. Использование систем TES вызывает растущий интерес в нескольких тепловых приложениях, например, активном и пассивном солнечном нагреве, нагреве воды, охлаждении и кондиционировании воздуха. TES часто является наиболее экономичной технологией хранения для систем отопления, охлаждения и кондиционирования воздуха в зданиях.

В целом, TES может уменьшить несоответствие времени или скорости между энергоснабжением и спросом на энергию, тем самым играя жизненно важную роль в улучшении управления энергопотреблением.Использование TES может привести к экономии топлива премиум-класса и сделать систему более рентабельной за счет сокращения потерь энергии. TES может улучшить производительность тепловых систем за счет сглаживания нагрузок и повышения надежности. Поэтому системы ТЭС приобретают все большее значение во многих коммунальных системах.

Выбор систем ТЭС зависит главным образом от требуемого периода хранения (например, дневного или сезонного), экономической целесообразности, условий эксплуатации и т. д. Некоторые конкретные параметры, влияющие на жизнеспособность системы ТЭС, включают тепловые нагрузки объекта, тепловую и электрическую нагрузку профили, наличие отходов или избыточной тепловой энергии, затраты на электроэнергию и структуры тарифов, тип оборудования для выработки тепла, тип здания и занятость.

Экономическое обоснование для систем TES обычно требует, чтобы ежегодные капитальные и эксплуатационные затраты были меньше, чем затраты на первичное генерирующее оборудование, обеспечивающее те же эксплуатационные нагрузки и периоды. Значительная экономия энергии может быть достигнута за счет использования TES для облегчения использования отработанной энергии и избыточного тепла, снижения платы за электроэнергию и отказа от покупки оборудования для отопления, охлаждения или кондиционирования воздуха.

TES может помочь устранить несоответствие между спросом и предложением энергии и внести значительный вклад в удовлетворение потребностей общества в более эффективном и экологически безопасном использовании энергии. TES играет важную роль в энергосбережении и может обеспечить экономию топлива премиум-класса.

TES обладает огромным потенциалом для повышения эффективности использования теплового энергетического оборудования и экономичного проведения крупномасштабных замен энергии. Необходим согласованный комплекс действий в нескольких секторах энергосистем, чтобы реализовать максимальные преимущества хранения.

Уникальная технология накопления тепла собирает пар

Чтобы обойти это ограничение, исследователи из Аргонна разработали способ внедрения материалов с фазовым переходом в пористую пену с высокой теплопроводностью.Затем они герметизируют пену инертным газом внутри модуля, предотвращая попадание внутрь влаги или кислорода и разрушение компонентов. Накопленное внутри устройства тепло затем может передаваться воде, например, превращаясь в пар, приводящий в движение турбину. TESS также можно настроить для конкретного приложения, выбрав различные материалы с фазовым переходом.

«Одним из больших преимуществ нашей технологии является то, что она является модульной, поэтому вам не нужна огромная структура хранения», — сказал Сингх. «Вы можете сделать эти модули определенного управляемого размера, например, бочку на 55 галлонов или меньше, и установить их в любом количестве, которое вам нужно.”

Исследователи продемонстрировали, что TESS работает при температурах выше 700° по Цельсию (1292° по Фаренгейту). Его высокая плотность энергии делает его меньше и более гибким, чем обычно используемые системы хранения тепла, которые основаны на повышении и понижении температуры материала. Эта технология получила награду R&D 100 в 2019 году, и в настоящее время исследователи работают над ее интеграцией в системы ТЭЦ от Capstone Turbine Corporation для повышения рекуперации тепла.

С помощью отраслевых партнеров Сингх и его коллеги продолжают совершенствовать технологию TESS и разработали собственную испытательную установку для проверки производительности при многократной зарядке и разрядке. В дополнение к совершенствованию систем ТЭЦ и расширению возможности диспетчеризации опреснительных и электростанций, TESS может преобразовывать отработанное тепло в механическую энергию в большегрузных грузовиках или в отопление салона электромобилей. И точно так же, как TESS может работать как аккумулятор для тепла, он может делать то же самое для холода, возможно, предлагая вариант охлаждения для коммерческих зданий.

Компании, заинтересованные в лицензировании или партнерстве по этой технологии, могут отправить электронное письмо по адресу [email protected]​anl.​gov.

NREL предлагает модульную экономичную технологию хранения тепловой энергии частиц | Новости

Хранение энергии в песке предлагает недорогой способ надежного электро- и теплоснабжения
в эпоху возобновляемых источников энергии

В новой системе хранения тепловой энергии частиц, разработанной NREL, частицы кремнезема
самотеком через электрические резистивные нагревательные элементы. Нагретые частицы
хранятся в изолированных бетонных силосах. Когда нужна энергия, нагретые частицы
подается через теплообменник для выработки электроэнергии для сети. Система разряжается
в периоды высокого спроса на электроэнергию и подзарядки, когда электроэнергия дешевле.
Изображение Патрика Давенпорта и Эла Хикса, NREL

По мере того, как сообщества, города и штаты разрабатывают амбициозные проекты по повышению энергоэффективности и обезуглероживанию
целей, хранение энергии становится все более важным компонентом нашей энергетической экономики.Возобновляемые источники энергии, такие как солнце и ветер, меняют то, как мы питаем наши здания.
промышленности и сети; однако они прерывистые—нам нужна постоянная мощность даже
после захода солнца или стихания ветра. Таким образом, хранение энергии имеет решающее значение для обеспечения
постоянная мощность и позволяет производителям энергии в полной мере использовать преимущества во время
перегенерация в солнечные (или ветреные) дни.

Когда дело доходит до хранения энергии, аккумуляторы — это еще не все.

Когда речь идет о кратковременном хранении энергии, литий-ионные батареи считаются
лидер, но батареи — это еще не все. Наши здания, предприятия,
отраслям промышленности и энергосистемам требуется больше хранилищ с меньшими затратами, на более длительный срок и в
большие емкости, чем могут обеспечить батареи, чтобы заменить ископаемое топливо для устойчивого
будущее.

Чтобы решить эту проблему хранения энергии, исследователи из Национального возобновляемого источника энергии
Лаборатория (NREL) находится на поздних стадиях тестирования прототипа нового революционного
технология хранения тепловой энергии, использующая недорогой кварцевый песок в качестве аккумулирующей среды.
Экономичное долговременное хранение электроэнергии за счет недорогого хранения тепловой энергии
и высокоэффективный энергетический цикл (ENDURING) — это надежный, экономичный и масштабируемый
решение, которое можно разместить в любом месте.

НЕПРЕРЫВНЫЙ механизм: хранимый электрически нагретый песок обеспечивает электроэнергию по требованию

ENDURING использует электроэнергию от избытка солнечной или ветровой энергии для нагрева теплоаккумулирующего материала — кремнезема.
песок. Частицы подаются через массив электрических резистивных нагревательных элементов в
нагрейте их до 1200°C (представьте, что через гигантский тостер высыпается песок). Нагретые частицы
затем под действием силы тяжести подаются в изолированные бетонные бункеры для хранения тепловой энергии.То
базовая система предназначена для экономичного хранения до ошеломляющих 26 000 МВтч
тепловой энергии. Благодаря модульной конструкции емкость хранилища можно увеличивать или уменьшать.
с относительной легкостью.

Когда требуется энергия, горячие частицы подаются самотеком через теплообменник,
нагрев и повышение давления рабочего газа внутри для привода турбомашин и вращения
генераторы, вырабатывающие электроэнергию для сети.Система разряжается в периоды
высокого спроса на электроэнергию и при наличии ограниченной солнечной фотоэлектрической или ветровой энергии,
например, рано утром и вечером, во время приготовления ужина и когда телевизор
находятся на. После выгрузки отработавшие холодные частицы снова подаются в изолированные
силосы для хранения до тех пор, пока условия (и экономика) снова не станут подходящими для загрузки.

Как горячий песок в бункере революционизирует декарбонизацию энергии

Системы хранения тепловой энергии частиц могут быть построены с существующей инфраструктурой
от вышедших из эксплуатации угольных и газовых электростанций. Изображение Джеффри Гиффорда и Патрика Дэвенпорта, NREL

ENDURING предлагает несколько преимуществ по сравнению с другими технологиями хранения электроэнергии.

В качестве среды хранения обильный кварцевый песок является стабильным и недорогим по цене 30–50 долларов США за тонну,
и оказывает ограниченное воздействие на окружающую среду как при добыче, так и в конце срока службы. Для сравнения,
литий-ионные аккумуляторы обладают исключительной плотностью накопления энергии, что важно для некоторых
секторах, таких как транспорт, где вес имеет значение, но это обходится дорого.Аккумулирование тепловой энергии частиц является менее энергоемкой формой хранения, но очень
недорогой (2–4 доллара США за кВт·ч тепловой энергии при температуре заряда-разряда 900 °C).
разница). Система накопления энергии безопасна, так как в качестве нее используется инертный кварцевый песок.
носитель информации, что делает его идеальным кандидатом для массивного долговременного хранения энергии.

Системы

ENDURING не имеют особых ограничений по размещению и могут быть расположены где угодно
в стране.Эти системы также могут быть построены с использованием существующей инфраструктуры.
на выведенных из эксплуатации угольных и газовых электростанциях.

Технология

ENDURING может способствовать расширению производства возобновляемой энергии по всему миру.
наша страна. Создание этих экономичных систем хранения тепловой энергии частиц
вокруг Соединенных Штатов может помочь коммунальным предприятиям продолжать использовать солнечную и ветровую энергию без
рискуя дестабилизировать сеть или нуждаясь в сокращении возобновляемых источников энергии
поколение. Хранение тепловой энергии частиц также обеспечит запасы энергии, поэтому наши
сообщества могут лучше ориентироваться в продолжительных погодных явлениях, будь то недельное
холодный фронт или летняя жара.

Несколько потенциальных экономичных вариантов использования поддерживают декарбонизацию к 2050 году

Администрация Байдена стремится к 2035 году добиться безуглеродного энергетического сектора и
чистая экономика с нулевым уровнем выбросов к 2050 году.Живэнь Ма, главный исследователь проекта ENDURING, видит важную роль частиц.
аккумулирование тепловой энергии в достижении этих целей. «В то время как декарбонизация электроэнергии
имеет четкий путь, декарбонизация всей экономики, которая включает в себя такие вещи, как
теплоснабжение зданий и промышленные процессы — более сложная задача, поскольку природный газ
очень дешевы, что затрудняет их замену», — сказал он. «Обезуглероживание промышленных процессов
и строительная жара очень жесткая.»

Преобразование возобновляемой электроэнергии в тепло является одним из способов декарбонизации этих секторов.
Ма видит возможность для накопления тепловой энергии частиц играть роль в рентабельном
вытесняет природный газ. При использовании теплового насоса одна единица электроэнергии преобразуется
на две-три единицы тепла, которое может запасаться в тепловой энергии частицы
системы хранения с последующей доставкой конечному потребителю (в зависимости от коэффициента
производительности теплового насоса или использования появляющегося гидронасосного накопителя тепловой энергии
технологии).Эти технологии могут быть использованы для технологического отопления зданий и промышленности.
заменить уголь или природный газ.

В дополнение к хранению энергии в сети и отоплению здания, ENDURING предлагает стабильную
источник тепла для промышленных и химических процессов, которые иначе несовместимы
с прерывистостью, связанной с солнечной и ветровой энергией.

По словам исследователя NREL Патрика Дэвенпорта, экономическая среда, цели декарбонизации и технологии согласованы для
аккумулирование тепловой энергии частиц.«Силосы из песка и бетона с огнеупорной изоляцией
— это очень недорогие материалы, которые могут привести к недорогому хранению энергии», — сказал он.
«Традиционные четырехчасовые технологии хранения плохо масштабируются в масштабе сети или города.
Теперь, когда мы нуждаемся в крупномасштабном хранении энергии, эта технология делает многое.
смысла».

Ранние достижения и НЕПРЕРЫВНОЕ обещание

В проекте ENDURING наблюдается многообещающий прогресс и первый интерес. Команда недавно
выиграл Отдел передовых энергетических систем Американского общества инженеров-механиков
и награда за первое место в номинации «Лучшая бумага» от Отдела солнечной энергии 2021 года и несколько премий Министерства США.
наград в области финансирования энергетических технологий. Патенты на интеграцию концентрации солнечной энергии
были награждены, и еще несколько поданы.

Прототипы нагревателей и теплообменников ENDURING в настоящее время проходят испытания
в высокотемпературных условиях.Если задачи прототипа будут успешными этой осенью, Ма
уверен, что технология ENDURING предложит большой потенциал для поддержки возобновляемых источников энергии.
интеграция для будущего безуглеродного энергоснабжения.

Ma — не единственный, кто видит перспективы: NREL и компания Babcock, занимающаяся технологиями экологически чистой энергии.
& Wilcox заключили соглашение об эксклюзивном праве на интеллектуальную собственность, чтобы лицензировать ENDURING
технология накопления тепловой энергии частиц.Babcock & Wilcox входят в число нескольких отраслевых
и партнеры по академическим исследованиям, которые внесли свой вклад в проект ENDURING, в том числе
General Electric, Allied Mineral Products, Worley, Университет Пердью и Колорадо
Школа шахт.

Узнайте больше о тепловых системах NREL и исследованиях по концентрации солнечной энергии.

Как достигаются масштабы хранения тепловой энергии?

Жизненно важная технология для обеспечения значительного сокращения выбросов парниковых газов существует и хорошо работает, но до сих пор не получила широкого распространения.

Накопление тепловой энергии успешно используется в этой области на протяжении десятилетий. Предварительное охлаждение изолированного бака с жидкостью может сократить счет за электроэнергию и снизить пиковую нагрузку, как показали такие компании, как Calmac и Ice Energy. В экспериментальном жилищном комплексе в Канаде используется подземное хранилище тепловой энергии, работающее летом от солнечной энергии, для покрытия своих потребностей в отоплении в холодные зимы Альберты.

Такие продукты решают проблему обезуглероживания, которую не может решить только более чистая энергия сети.Здания потребляют 70 процентов электроэнергии, производимой в США, и выделяют 40 процентов выбросов углерода в стране. Любая целостная попытка решить проблему изменения климата должна противодействовать использованию энергии в строительном секторе.

Стэнфордский профессор Марк Джейкобсон, например, использует подземное хранение тепла в качестве основы своей дорожной карты по обезуглероживанию всей энергетической системы США, поскольку это снижает общий спрос на электроэнергию и потребление газа для отопления. Когда группа ученых раскритиковала это исследование этим летом, они особо отметили зависимость от этого редко применяемого инструмента.Как можно спасти мир, рассуждают они, с помощью технологии, реальное использование которой ограничено малоизвестным экспериментальным жильем в Альберте?

Аккумуляторное хранение энергии сталкивается с препятствиями, связанными с его технологической новизной. Трудно убедить финансистов поддержать химию аккумуляторов, которая не продержалась долго и продается стартапом с ограниченным балансом. Несмотря на это, сектор находится на подъеме — GTM Research прогнозирует 22-кратное увеличение количества мегаватт-часов в США с 2016 по 2022 год.

Между тем, для хранения тепловой энергии вопросы технологичности в основном решены, но этот сегмент еще не коснулся поверхности его потенциального влияния. На самом деле, этот потенциал едва ли заметен за пределами горстки компаний, которые поставили на него свое будущее и формулируют свое видение с почти мессианским рвением.

«Я ожидаю, что тепловые нагрузки будут больше, чем батареи, — сказал генеральный директор Ice Energy Майк Хопкинс, — потому что тепловые нагрузки — это большие нагрузки. Это проблемные нагрузки; это нагрузки, которые не поддаются использованию накопления электроэнергии.»

О восхождении аккумуляторов написано много. Меньше внимания уделялось контингенту теплоаккумуляторов, но у них есть свои стратегии роста. Их успех может не только помочь коммунальным предприятиям в их стремлении смягчить кривые и неуклонно ползучие пики, но и сыграть центральную роль в сокращении выбросов углерода от зданий во всем мире.

Технология

Основной предпосылкой аккумулирования тепла является преобразование избыточной электрической энергии в тепло или холод, которые можно использовать позже.

Этот процесс приобретает значение для всей сети в свете роста пикового спроса, который коммунальные предприятия по всей стране связывают с одновременным использованием клиентами кондиционеров в вечернее время.

Аккумуляторное хранилище может удовлетворить этот спрос, но оно страдает от потерь из-за неэффективности при передаче туда и обратно; это выбрасывание энергии. Материалы для термического хранения энергии стоят меньше, чем литий-ионные химические вещества, и теоретически служат дольше. Основной технологией является вода в пластиковом баке.

Кроме того, если вы заморозите эту глыбу льда ночью, когда падает и температура окружающей среды, и стоимость электроэнергии, это потребует меньше энергии и денег, чем в разгар солнечного жаркого дня.

«Представление о том, что вы будете хранить энергию в виде батарей для кондиционеров, по своей сути является плохой идеей», — сказал Хопкинс. «Что вы действительно хотите сделать, так это заставить эти тепловые нагрузки работать более эффективно. Включите охлаждение, когда это подходящее время».

Ice Energy интегрирует свою технологию в системы кондиционирования воздуха, чтобы использовать нежелательную полуденную солнечную энергию или дешевую ночную электроэнергию для предварительного охлаждения дома перед вечерним пиком. Когда электроэнергия стоит дороже или коммунальное предприятие не может удовлетворить спрос, Ледяной Медведь использует эту глыбу льда для охлаждения здания вместо того, чтобы потреблять электроэнергию.

В то время как Ice Energy обслуживает коммерческие и жилые рынки, в основном в Калифорнии, Calmac применяет аналогичную технологию для массивных небоскребов и университетских городков. С 1980-х годов у компании из Нью-Джерси было более 4000 клиентов в 60 странах.

IceBank от Calmac в действии: это несколько резервуаров для хранения холодной жидкости. (Изображение предоставлено Calmac)

Axiom Exergy применяет эту концепцию к продуктовым магазинам, сокращая счета за коммунальные услуги за охлаждение продуктов и создавая резервное охлаждение на несколько часов на случай кратковременных отключений электроэнергии.

Аккумулятор горячего тепла работает почти так же, как и холодный: используйте избыточную энергию для нагрева жидкости, затем направляйте ее в изолированный накопительный бак, пока она не понадобится для обогрева здания.

Солнечное сообщество Drake Landing в Альберте, Канада, использует подземное централизованное отопление для хранения солнечной энергии в летнее время. В зимний сезон 2015-2016 гг. община обеспечивала все свои потребности в отоплении за счет накопленной тепловой энергии; таким образом он обеспечивал более 90 процентов потребностей в отоплении в течение каждой из последних пяти зим.

В более редком варианте технология позволяет преобразовывать накопленную тепловую энергию обратно в электричество. Это то, что X-лаборатория Google пытается сделать с проектом под названием Мальта. Он будет использовать электричество как для нагрева расплавленных солей, так и для охлаждения резервуаров с жидкостью; при необходимости процесс меняется на противоположный, используя высвободившийся горячий и холодный воздух для вращения турбины и регенерации электроэнергии.

Важно отметить, что аккумулирование тепла позволяет избежать проблем с токсичностью и воспламеняемостью, присущих мощным литий-ионным батареям.

«Нагрев воды или приготовление льда — это не то, о чем кто-то будет беспокоиться», — сказал Бретт Саймон, аналитик по хранению энергии в GTM Research. «В этих системах не используются какие-либо химически активные, потенциально опасные или легковоспламеняющиеся химические вещества. Это может привести к тому, что люди, которые более осторожно относятся к хранению аккумуляторов, будут использовать домашние термоаккумуляторы».

Препятствия для роста

Тепловой накопитель существует дольше, чем усовершенствованный аккумуляторный накопитель, но он так и не вырвался из нишевого сегмента.Только несколько компаний устанавливают его в США, по сравнению с десятками, которые сейчас гонятся за рынком аккумуляторных накопителей.

По словам Хопкинса из Ice Energy, здесь играют роль культурные пристрастия. Аккумуляторные накопители стали популярными только в последние несколько лет, во многом благодаря умению Илона Маска захватывать общественное воображение. Это новообретенное осознание можно передать.

«Поскольку они знают о литии, когда вы говорите о других формах хранения, это не так уж и чуждо», — сказал он.

Тем не менее, аккумулятору не хватает знаменитого евангелиста, и он не может заряжать сексуальный спортивный автомобиль.

«Дело в том, что аккумулирование тепла невидимо для пассажиров», — сказал генеральный директор Calmac Марк МакКракен. «Люди, которые заходят в эти коммерческие здания, ожидают, что в здании будет прохладно. Они совершенно не понимают, как оно охлаждается».

Компании, стремящиеся вытеснить традиционное отопление и охлаждение, должны обращаться к клиентам, когда им нужно это оборудование, потому что это не повседневная покупка.

Новые дома могут быть многообещающим рынком, но для существующих домов время для покупки нового кондиционера обычно наступает, как только сломается старый. В этот момент у клиента появляется сильный стимул использовать то, что является самым быстрым и простым, что, вероятно, не является шаткой технологией охлаждения, о которой они никогда не слышали.

Помимо проблемы осведомленности потребителей, необходимо преодолеть технические ограничения.

Одним из них является участие в рабочем процессе проектирования крупных строительных проектов.Обычно, по словам МакКракена, архитектор проектирует здание и просит инженеров охладить его. Они смотрят на пиковую мощность охлаждения, необходимую для покрытия самого жаркого дня в году, добавляют запас для безопасности и заканчивают работу.

По словам МакКракена, хранение тепла требует другого типа анализа и сопряжено с восприятием риска, даже если оно в конечном итоге стоит столько же и обеспечивает тот же коэффициент безопасности. Требуется время, чтобы проникнуть в этот промышленный рабочий процесс в более широком масштабе.

Даже в этом случае распространение аккумулирования тепла зависит от экономического компромисса между обычным бизнесом и смещением спроса от пиков.Это связано с дизайном ставок, который зарекомендовал себя как ненадежный партнер при продвижении продукта.

«Проблема номер один — это неопределенность с тарифами, с разницей между дневными и ночными затратами», — сказала Мэри Энн Пиетт, директор отдела строительных технологий и городских систем Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли. «Тарифы сильно меняются со временем, и в экономике недостаточно уверенности».

По всей стране число тарифов на электроэнергию с дифференцированием по времени и программ реагирования на спрос становится все больше по мере того, как коммунальные предприятия раскрывают возможности распределенных энергетических ресурсов.Пока они не появятся, преимущества накопления тепла для потребителей останутся в основном теоретическими, даже если они уже осязаемы для сети.

География имеет значение

Климат помогает определить эффективность накопления тепла в большей степени, чем для батарей.

У идеального рынка большие суточные колебания: жаркий полдень и более прохладная ночь, считает Пиетт. Окрестности пустыни, такие как Аризона и внутренняя Калифорния, прекрасно вписываются.

В Беркли с умеренным климатом или на северо-западном побережье Тихого океана лишь немногие дома имеют кондиционер или нуждаются в нем.Жилой Ice Cub будет мало полезен, в то время как батарея все еще сможет заменить электрическую нагрузку и обеспечить резервное питание в случае отключения.

Точно так же подземный аккумулирующий теплоноситель прекрасно работает в холодной Альберте, но не так эффективно в местах, где зимой остается достаточно тепло. Эта технология также требует высокого уровня участия сообщества: системы работают лучше всего, когда они обслуживают целый район или кампус.

Такого рода сотрудничество трудно осуществить, за исключением жилищного строительства с нуля; раскапывать улицы, чтобы копать под существующую застройку, сложнее продать.Централизованное отопление хорошо зарекомендовало себя в холодных северных сообществах с плотным населением и политикой социального сотрудничества — в основном в Скандинавии. Наличие основного коммунального предприятия для газа, электроэнергии и пара помогает.

«Модели владения и эксплуатации [для централизованного теплоснабжения] не так распространены в наших городских районах», — сказал Пиетт. «Все это возможно, и я надеюсь, что со временем мы сможем создать новые бизнес-модели».

Плотность и разнообразие нагрузок делают это предложение более привлекательным, добавила она, ссылаясь на офис Amazon в Сиэтле, который покупает отработанное тепло близлежащего центра обработки данных.

Партнер для продвижения вперед

Стартапы по хранению тепла, с которыми я разговаривал, были уверены в одном: для масштабирования им необходимо сотрудничать с более крупными организациями.

Ice Energy нашла союзников в лице южнокалифорнийской компании Edison и независимого поставщика электроэнергии NRG. Компания SCE заключила контракт на поставку 26 мегаватт-часов распределенного хранилища тепла на территории заказчика. Это обеспечило безопасность доходов, необходимых для начала наращивания производства. Осталась только проблема с денежным потоком.

Стартап из 22 человек не мог покрыть расходы на всех этих ледяных медведей и ждать 20 лет, чтобы получить окупаемость.Вместо этого Ice Energy продала специальный автомобиль для проекта компании NRG, у которой огромный баланс. Технически NRG отвечает за будущую доходность парка и авансирует Ice Energy за установку оборудования.

Если все пойдет по плану, NRG получит легкую окупаемость инвестиций с минимальным риском: выручка поступает через крупную коммунальную компанию с кредитным рейтингом в фунтах стерлингов. Ice Energy должна найти предприятия, желающие разместить в общей сложности 1800 Ice Bears бесплатно, получая экономию от 1000 до 1500 долларов США на счетах за электроэнергию в год на единицу (Ice Energy с момента своего создания развернула в общей сложности 1200 единиц).

По словам Хопкинса, компания также имеет контракты с двумя коммунальными предприятиями в Массачусетсе и еще на 400 мегаватт на различных стадиях переговоров.

Этим летом начали поставляться жилые Ice Cub, которые заменяют обычные кондиционеры и добавляют теплоаккумуляторы. Хопкинс надеется масштабировать этот продукт через соглашение о распространении с крупным установщиком солнечных батарей.

«Сейчас для нас 1800 кажутся большим числом», — сказал он. «На внутреннем рынке вы можете увидеть десятки тысяч в США.С. развертывание.»

По словам Саймона из GTM, этот рынок домашнего охлаждения нельзя недооценивать, особенно если тепловые накопители конкурируют по цене, но добавляют больше услуг.

«Если они получат 1 процент рынка домашних кондиционеров, это уже будет намного больше, чем годовой объем продаж домашних аккумуляторов», — отметил он.

Axiom Exergy также ищет более крупных компаний для продвижения своего продукта. В данном случае: национальные продуктовые сети. Компания разрабатывает развертывание для нескольких магазинов с Whole Foods и Walmart, чтобы продолжить первоначальные демонстрационные установки.

«Я не вижу никаких препятствий в обозримом будущем, потому что вокруг так много продуктовых магазинов и холодильных камер», — сказал директор по продажам Джон Лерч. «Всегда будет … эта необходимость держать еду охлажденной, чтобы раздавать ее повсюду».

Calmac, несколько десятилетий назад завершивший стадию стартапа, обсуждает партнерские отношения с поставщиками коммунальных услуг, но пока не заключает их. Компания также обращается к другому типу партнеров: компаниям по хранению аккумуляторов.

Цель состоит в том, чтобы предложить гибридный продукт для коммерческих клиентов с теплоаккумулятором, рассчитанным на тепловую нагрузку, и батареями, чтобы справиться с оставшимся пиковым спросом. Это может обеспечить экономию при более низкой ставке на киловатт-час, чем если бы батареи должны были брать на себя нагрузку по нагреву и охлаждению.

Аккумулирование тепла дополняет более интеллектуальную сеть, чем та, которая у нас есть сегодня. Будет трудно продавать до тех пор, пока потребитель платит за киловатт-час одинаковую цену за киловатт-час в пиковые часы всей сети, например, в 3 часа ночи. Распределенные энергетические активы, спрос на технологии хранения тепла может, наконец, начать расти.

Хранение тепловой энергии может сыграть важную роль в обезуглероживании зданий

Исследователи из лаборатории Беркли сообщили о прорыве в области материалов с фазовым переходом, который повысит доступность аккумулирования тепловой энергии. Материалы с фазовым переходом могут быть добавлены внутрь стен и автоматически поддерживать прохладу или тепло в здании в зависимости от температуры окружающей среды. (Источник: Дженни Насс/Лаборатория Беркли)

Может ли бак со льдом или горячей водой быть батареей? Да! Если батарея — это устройство для хранения энергии, то хранение горячей или холодной воды для питания системы отопления или кондиционирования воздуха здания — это другой тип хранения энергии.Эта технология, известная как аккумулирование тепловой энергии, существует уже давно, но ее часто упускают из виду. Теперь ученые из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) прилагают согласованные усилия, чтобы вывести накопление тепловой энергии на новый уровень.

Чтобы преодолеть некоторые ограничения традиционных накопителей тепловой энергии на водной основе, ученые лаборатории Беркли изучают разработку материалов и систем следующего поколения, которые будут использоваться в качестве теплоносителя или охлаждающей среды. Они также создают основу для анализа затрат, а также инструмент для сравнения экономии затрат.В серии статей, опубликованных в этом году, исследователи лаборатории Беркли сообщили о важных достижениях в каждой из этих областей.

«Обезуглероживание зданий, особенно для отопления, очень сложно», — сказал Рави Прашер, заместитель директора лаборатории энергетических технологий Berkeley Lab. «Но если вы храните энергию в форме конечного использования, то есть тепла, а не в форме энергоснабжения, то есть электричества, экономия затрат может быть очень убедительной. И теперь с разработанной нами структурой мы сможем взвесить затраты на хранение тепловой энергии по сравнению с хранением электроэнергии, например, с литиевыми батареями, что было невозможно до сих пор.

В США на здания приходится 40% общего потребления энергии. Из них почти половина идет на тепловые нагрузки, которые включают в себя отопление и охлаждение помещений, а также нагрев и охлаждение воды. Другими словами, пятая часть всей производимой энергии идет на тепловые нагрузки в зданиях. Ожидается, что к 2050 году спрос на электроэнергию от тепловых нагрузок резко возрастет, поскольку природный газ будет постепенно сокращаться, а отопление все больше будет осуществляться за счет электричества.

«Если мы используем аккумулирование тепловой энергии, в котором сырье более обильное для удовлетворения потребности в тепловых нагрузках, это частично снизит потребность в электрохимическом аккумулировании и высвободит батареи для использования там, где аккумулирование тепловой энергии не может быть использовано, — сказал Суманджит Каур, руководитель группы тепловой энергии Berkeley Lab.

Ученые из лаборатории Беркли Рави Прашер (слева) и Суманджит Каур возглавляют усилия по разработке накопителей тепловой энергии для обезуглероживания зданий. (Источник: Тор Свифт/Лаборатория Беркли)

Жизнеспособная и экономичная альтернатива батареям

По мере того, как наше общество продолжает электрифицироваться, потребность в батареях для хранения энергии, по прогнозам, будет огромной, достигнув, по оценкам, от 2 до 10 тераватт-часов (ТВтч) ежегодного производства батарей к 2030 году с менее чем 0,5 ТВтч сегодня. Поскольку в обозримом будущем литий-ионный аккумулятор станет доминирующей технологией хранения, ключевым ограничением является ограниченная доступность сырья, включая литий, кобальт и никель, которые являются основными компонентами современных литиевых аккумуляторов.Хотя лаборатория Беркли активно работает над устранением этого ограничения, также необходимы альтернативные формы хранения энергии.

«Сейчас литиевые батареи сталкиваются с огромным давлением с точки зрения поставок сырья, — сказал Прашер. «Мы считаем, что хранение тепловой энергии может быть жизнеспособной, устойчивой и рентабельной альтернативой другим формам хранения энергии».

Аккумуляторы тепловой энергии могут быть развернуты в различных масштабах, в том числе в отдельных зданиях — например, в вашем доме, офисе или на заводе — или на районном или региональном уровне.В то время как в наиболее распространенной форме тепловой энергии используются большие резервуары с горячей или холодной водой, существуют и другие типы так называемого аккумулирования явного тепла, например, использование песка или камней для хранения тепловой энергии. Однако эти подходы требуют большого пространства, что ограничивает их пригодность для проживания.

Из жидкого состояния в твердое и обратно

Чтобы обойти это ограничение, ученые разработали высокотехнологичные материалы для хранения тепловой энергии. Например, материалы с фазовым переходом поглощают и выделяют энергию при переходе между фазами, например, из жидкого в твердое и обратно.

Материалы с фазовым переходом имеют ряд потенциальных применений, включая терморегулирование батарей (чтобы они не перегревались или не переохлаждались), усовершенствованный текстиль (подумайте об одежде, которая может автоматически согревать или охлаждать вас, тем самым обеспечивая тепловой комфорт при снижение энергопотребления зданий) и сухое охлаждение электростанций (для экономии воды). В зданиях материалы с фазовым переходом могут быть добавлены к стенам, действуя как тепловая батарея для здания. Когда температура окружающей среды поднимается выше точки плавления материала, материал меняет фазу и поглощает тепло, тем самым охлаждая здание.И наоборот, когда температура падает ниже точки плавления, материал меняет фазу и выделяет тепло.

Однако одна проблема с материалами с фазовым переходом заключается в том, что они обычно работают только в одном диапазоне температур. Это означает, что для лета и зимы потребуются два разных материала, что увеличивает стоимость. Лаборатория Беркли решила решить эту проблему и добиться так называемой «динамической настраиваемости» температуры перехода.

Показаны два разных способа интеграции аккумулирования тепловой энергии в зданиях.Термическая батарея (питание от материала с фазовым переходом) может быть подключена к тепловому насосу здания или традиционной системе отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (слева), или материал с фазовым переходом может быть встроен внутрь стен. (Источник: лаборатория Беркли)

В исследовании, недавно опубликованном в журнале Cell Reports Physical Science, исследователи первыми достигли динамической перестраиваемости материала с фазовым переходом. В их революционном методе используются ионы и уникальный материал с фазовым переходом, который сочетает в себе накопление тепловой энергии с накоплением электрической энергии, поэтому он может хранить и поставлять как тепло, так и электричество.

«Эта новая технология действительно уникальна, потому что она объединяет тепловую и электрическую энергию в одном устройстве», — сказал руководитель группы Applied Energy Materials Гао Лю, соавтор исследования. «Он функционирует как тепловая и электрическая батарея. Более того, эта возможность увеличивает потенциал накопления тепла благодаря возможности регулировать температуру плавления материала в зависимости от различных температур окружающей среды. Это значительно увеличит использование материалов с фазовым переходом.

Каур, также соавтор статьи, добавил: «В целом это помогает снизить стоимость хранения, поскольку теперь один и тот же материал можно использовать круглый год, а не только полгода».

В крупномасштабном строительстве эта комбинированная способность аккумулировать тепловую и электрическую энергию позволит материалу накапливать избыточную электроэнергию, вырабатываемую солнечными или ветровыми установками на месте, для удовлетворения как тепловых (нагрев и охлаждение), так и электрических потребностей.

Развитие фундаментальной науки о материалах с фазовым переходом

Еще одно исследование лаборатории Беркли, проведенное ранее в этом году, касалось проблемы переохлаждения, которое не является сверххолодным в некоторых материалах с фазовым переходом, потому что делает материал непредсказуемым, поскольку он не может каждый раз менять фазу при одной и той же температуре.Под руководством ассистента аспиранта лаборатории Беркли и аспиранта Калифорнийского университета в Беркли Дрю Лилли исследование, опубликованное в журнале Applied Energy, стало первой демонстрацией методологии количественного прогнозирования характеристик переохлаждения материала.

Третье исследование лаборатории Беркли, опубликованное в журнале Applied Physics Letters в этом году, описывает способ развития понимания фазового перехода на атомном и молекулярном уровне, который имеет решающее значение для разработки новых материалов с фазовым переходом.

«До сих пор большинство фундаментальных исследований, связанных с физикой фазового перехода, носили вычислительный характер, но мы разработали простую методологию для прогнозирования плотности энергии материалов с фазовым переходом», — сказал Прашер.«Эти исследования являются важными шагами, которые открывают путь к более широкому использованию материалов с фазовым переходом».

Яблоки к яблокам

В четвертом исследовании, только что опубликованном в журнале Energy & Environmental Science, разрабатывается схема, позволяющая проводить прямое сравнение затрат на батареи и системы хранения тепловой энергии, что до сих пор было невозможно.

«Это действительно хорошая платформа для сравнения — яблоки с яблоками — аккумуляторы и тепловые накопители, — сказал Каур. «Если бы кто-нибудь приходил ко мне и спрашивал: «Должен ли я установить Powerwall (система литиевых батарей Tesla для хранения солнечной энергии) или накопитель тепловой энергии», у меня не было возможности их сравнить.Эта структура дает людям возможность понять стоимость хранения на протяжении многих лет».

Структура, разработанная исследователями из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии и Окриджской национальной лаборатории, учитывает затраты на протяжении всего срока службы. Например, тепловые системы имеют более низкие капитальные затраты на установку, а срок службы тепловых систем обычно составляет от 15 до 20 лет, тогда как батареи обычно необходимо заменять через восемь лет.

Инструмент моделирования для развертывания аккумулирования тепловой энергии в системах отопления, вентиляции и кондиционирования зданий

Наконец, исследование с исследователями из Калифорнийского университета в Дэвисе и Калифорнийском университете в Беркли продемонстрировало технико-экономическую осуществимость развертывания систем ОВКВ с аккумулированием тепловой энергии на основе материалов с фазовым переходом. Сначала команда разработала имитационные модели и инструменты, необходимые для оценки экономии энергии, снижения пиковой нагрузки и стоимости такой системы. Инструмент, который будет доступен для общественности, позволит исследователям и строителям сравнивать экономику систем ОВКВ с накоплением тепловой энергии с полностью электрическими системами ОВКВ с электрохимическим накоплением и без него.

«Эти инструменты открывают беспрецедентную возможность изучить экономические аспекты реальных приложений ОВКВ, интегрированных с накоплением тепловой энергии, — сказал руководитель проекта Berkeley Lab Спенсер Даттон.«Интеграция аккумулирования тепловой энергии позволяет нам значительно снизить мощность и, следовательно, стоимость теплового насоса, что является важным фактором снижения стоимости жизненного цикла».

Затем группа приступила к разработке «готового к эксплуатации» прототипа системы ОВКВ для небольших коммерческих зданий, в которой использовались как холодные, так и горячие тепловые батареи на основе материалов с фазовым переходом. Такая система отключает как охлаждение, так и отопление от электрической сети. Наконец, команда проводит полевые демонстрации в масштабах жилых домов, уделяя особое внимание электрификации домов и переносу нагрузки на отопление и горячее водоснабжение.

«Если подумать о том, как энергия потребляется во всем мире, люди думают, что она потребляется в виде электричества, но на самом деле в основном она потребляется в виде тепла», — сказал Ноэль Бахтян, исполнительный директор Центра хранения энергии Berkeley Lab. «Если вы хотите обезуглероживать мир, вам нужно обезуглероживать здания и промышленность. Это означает, что вам нужно обезуглероживать тепло. Существенную роль здесь может сыграть хранение тепловой энергии».

Исследование проводилось при поддержке Управления технологий зданий Управления энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики.

# # #

Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли, основанная в 1931 году на убеждении, что самые большие научные проблемы лучше всего решаются командами, и ее ученые были отмечены 14 Нобелевскими премиями. Сегодня исследователи из лаборатории Беркли разрабатывают устойчивые энергетические и экологические решения, создают новые полезные материалы, расширяют границы вычислительной техники и исследуют тайны жизни, материи и Вселенной. Ученые со всего мира полагаются на оборудование лаборатории для своих собственных научных открытий.Лаборатория Беркли — это многопрофильная национальная лаборатория, управляемая Калифорнийским университетом для Управления науки Министерства энергетики США.

Управление науки Министерства энергетики США является крупнейшим сторонником фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​работает над решением некоторых из самых насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите сайт energy.gov/science.

– Киран Джулин участвовала в написании этой статьи.

Дополнительная информация:

Чтобы найти решения и партнерские отношения для решения конкретных проблем будущего хранения энергии в Америке, лаборатория Беркли созывает национальный саммит по хранению энергии. Национальный саммит по хранению энергии под названием Jumpstarting America’s Energy Storage Future будет открыт для публики и состоится 8–9 марта 2022 года.

границ | Анализ накачиваемого накопителя тепловой энергии с развязанными накопителями тепла

Графический реферат . Графическое представление насосной системы хранения тепловой энергии мощностью 1 ГВтч.

Введение

Антропогенное изменение климата связано с выбросами парниковых газов, таких как двуокись углерода.Усилия по увеличению доли низкоуглеродной электроэнергии в национальной энергосистеме сдерживаются прерывистым характером возобновляемых источников энергии, что требует значительных запасов энергии. Маккей предположил, что для обеспечения будущего проникновения возобновляемых источников энергии Великобритании потребуется 20 кВтч хранилища на человека; что соответствует 1200 ГВт-ч накопленной энергии.

Аккумуляторы были и остаются тщательно изученным подходом к хранению энергии. Это неудивительно, поскольку они могут обеспечить эффективность оборота 67–86% (Mongird et al., 2019). Они особенно подходят для небольших хранилищ и в случаях, когда требуется быстро регулируемая производительность. Отсюда их широкое применение в обезуглероживании дорожных транспортных средств. Если предположить, что весь парк транспортных средств Великобритании может быть переведен на электрические, потребность в хранении на человека будет удовлетворяться в совокупности за счет автомобильных аккумуляторов. Однако в настоящее время трудно представить себе национальные энергетические стратегии, которые зависят от потенциального предоставления населением личных транспортных средств для целей энергосистемы.Батареи также нашли более широкое применение в электросетях. В частности, обеспечение краткосрочного хранения для обеспечения того, чтобы частота электроэнергии в сети оставалась в допустимых пределах; задача, которая стала более распространенной с переходом на возобновляемые технологии от угольных электростанций, которые естественным образом обеспечивали стабильность частоты за счет высокоинерционных механических компонентов. Тем не менее, батареи связаны с проблемами, связанными с нехваткой основных материалов, таких как кобальт, большим углеродным следом, связанным с производством, и стоимостью масштабируемости.

Для крупномасштабного хранения энергии, способного сбалансировать сеть с высоким проникновением возобновляемых источников энергии, гидроэнергетика является наиболее хорошо зарекомендовавшим себя подходом, и, по словам Маккея, Великобритания потенциально может увеличить свою емкость хранения с 30 ГВтч до 400 ГВтч (Mackay). , 2009). Насосные ГЭС имеют хороший оборотный КПД от 65 до 80% (Kougias and Szabo, 2017) и могут обеспечивать долгосрочное хранение. Однако это явно зависит от географии и требует значительных затрат на гражданское строительство, таких как строительство плотин.

Аккумулирование энергии сжатым воздухом (CAES) было проверено на заводе в Германии и Канаде, но пока эффективность оборота была довольно низкой (<50%). Adiabatic-CAES достигла более высокой эффективности разворота, достигнув значений 63–74% в небольшом экспериментальном демонстрационном стенде в туннеле в Швейцарских Альпах (Geissbühler et al. , 2018), но пока эти схемы не были продемонстрированы в больших масштабах. масштаб. Крупномасштабные CAES также зависят от географии, требуя соляных пещер.

PTES аккумулирует тепло в камне или гравии и использует оборудование для сжатия и расширения для ввода и извлечения энергии.Низкая стоимость накопителей энергии обеспечивает высокую масштабируемость технологии. Было предсказано, что нормированная стоимость хранения (LCoS) (Smallbone et al., 2017) конкурентоспособна по сравнению с более устоявшимися методами, такими как насосная гидроэнергетика и CAES. Однако, в отличие от насосных гидроэлектростанций и CAES, PTES не зависит от географии и может быть размещен практически где угодно; например, вблизи крупных ветряных электростанций или на территории угольных электростанций, которые были переоборудованы для работы на газе и больше не требуют земли, занятой угольными отвалами.PTES для крупномасштабного хранения значительно дешевле, чем хранение в батареях эквивалентного масштаба, и разумно ожидать, что разница будет увеличиваться с увеличением емкости хранилища, потому что, в отличие от батарей, сам материал для хранения является незначительным фактором для LCoS.

В основе системы аккумулирования тепловой энергии (ПТЭС) лежит обратимый цикл, в котором в режиме заряда рабочая жидкость сжимается (1-2), отдает свое тепло горячему накопителю (2-3), расширяется до низкой температуры (3-4), где охлаждает холодильную камеру (4-1) перед повторным сжатием (рис. 1).Здесь работа компрессора намного выше, чем работа детандера, и поэтому механическая энергия поглощается и передается в аккумулированное тепло в термоклинах уплотненного слоя. Работа, поглощаемая системой, представляет собой площадь внутри цикла против часовой стрелки на диаграмме T-S. При выпуске направление жидкости меняется на противоположное, рабочая жидкость охлаждается за счет прохождения через холодильную камеру (1-4) перед подачей в компрессор (4-3). Жидкость, выходящая из компрессора при температуре окружающей среды, затем нагревается путем прохождения через накопитель горячей воды (3-2) перед расширением в детандере (2-1) (рис. 1).Здесь работа компрессора сведена к минимуму, а работа расширителя увеличена, чтобы вернуть как можно больше энергии. Цикл теперь вращается по часовой стрелке, поэтому площадь внутри цикла представляет собой проделанную работу. Если сжатие и расширение изоэнтропические, а теплообмен в теплоаккумуляторах был идеальным без перепада давления, то площадь цикла разряда такая же, как и у цикла заряда; подчеркивая теоретически обратимый характер этого метода накопления энергии. Достигаемый КПД оборотов зависит от термодинамической обратимости компрессора и детандера, эффективности аккумулирования тепла при возврате газа во время нагнетания как можно ближе к температуре зарядки, перепадах давления в контуре и утечке тепла в и из схема.

Рисунок 1 . Диаграмма температура-энтропия для идеальной системы PTES, режим заряда против часовой стрелки, режим разряда по часовой стрелке.

За последнее десятилетие было проведено значительное количество академических работ по накоплению тепловой энергии с помощью насосов. В 2010 году Desrues et al. описал новый тип процесса накопления тепловой энергии для крупномасштабных электрических приложений (Desrues et al. , 2010). Они описывают систему ПТЭС с тепловым накопителем высокого и низкого давления и четырьмя турбомашинами и представляют выражение для оборотного КПД, основанное на политропическом КПД для всех турбомашин.В 2011 году Морандин и соавт. (2012) описали концептуальный проект системы хранения термоэлектрической энергии на основе транскритического цикла CO 2 . В этом исследовании хранение горячей воды и льда отделено от тепловых машин теплообменниками, которые передают энергию в виде тепла от термодинамического цикла к подсистемам хранения. В 2012 году Меркангоз и соавт. (2012) также представили транскритическую систему хранения CO 2 и предсказали, что стоимость системы значительно снизится для крупномасштабных систем, и установили предел эффективности оборота 74%.Затем в 2013 году Морандин и соавт. (2013) опубликовал технико-экономическую оптимизацию своей концептуальной системы и пришел к выводу, что оборотная эффективность >64% практически не реализуема. В работе Howes (2012) описана разработка обратимого теплового насоса как стратегии накопления энергии и показаны некоторые результаты прототипа возвратно-поступательного теплового насоса, которые во многом повлияли на разработку недавней успешной демонстрации PTES. Хоус также отметил важный момент, что для применения накопления энергии идеальный термодинамический цикл, который может обеспечить эффективность Карно, не является необходимым, но вместо этого важным требованием является то, чтобы идеальный цикл был теоретически обратимым.Также отмечается, что PTES, по-видимому, предлагает эффективность, сравнимую с существующими насосными гидроустановками, в сочетании с очень конкурентоспособными затратами на установку, естественной безопасностью и возможностью развертывания в различных масштабах. Уайт и др. (2013) показывают, что производительность PTES в основном определяется соотношением между самой высокой и самой низкой температурой в каждом коллекторе. Также анализируется чувствительность эффективности приема-передачи к различным параметрам потерь, что указывает на особую восприимчивость к необратимости сжатия и расширения.Концептуальная установка CHEST (Compressed Heat Energy Storage), представленная Steinmann (2014), представляет собой концепцию PTES, основанную на среднетемпературном паровом цикле с накопителями как явной, так и скрытой тепловой энергии. Стейнман отмечает, что высокотемпературных адиабатических компрессоров, необходимых для эффективных систем PTES, на современном уровне техники не существует. Моделирование концепции CHEST показывает КПД >70% при максимальной температуре системы всего 400°C. Потери давления в трубопроводах и аккумулирующих системах не учитываются и предполагается, что система адиабатическая, т.е.д., отсутствие утечек тепла в окружающую среду. Первая демонстрационная установка PTES была построена компанией Isentropic Ltd, а затем передана центру сэра Джозефа Свона в Университете Ньюкасла для ввода в эксплуатацию и тестирования установки. Система имеет накопительную емкость 600 кВтч и номинальную выходную мощность 150 кВт и собственное реверсивное оборудование сжатия и расширения с коэффициентом сжатия 12. Рабочая жидкость проходит непосредственно через теплоаккумуляторы, а горячий теплоаккумулятор представляет собой сосуд высокого давления, способный выдерживает давление 12 бар и температуру 773 К.В 2019 году в этой первой в своем роде системе была зарегистрирована успешная демонстрация оборотной эффективности на уровне 65%, и мы считаем, что это большое достижение, демонстрирующее потенциал PTES.

Пока завершался первый демонстрационный комплекс PTES, научная работа продолжалась. В 2017 г. Бенато (2017) провел комплексное исследование ПТЭС, а также предложил систему ПТЭС с дополнительным электрообогревом и одним теплообменником с воздухом в качестве теплоносителя. Он также использовал и тестировал одномерные числовые модели термоаккумуляторов с набивным слоем.Laughlin (2017) поделился своими концепциями системы PTES, в которой тепло добавляется и отводится от рабочей жидкости двигателя Брайтона с замкнутым циклом с помощью теплообменников с встречными потоками накопительных жидкостей. В этой системе используются две системы хранения тепла в резервуарах с расплавленной солью и углеводородной жидкостью для горячего и холодного хранения тепла соответственно. В 2017 году Лафлин говорит о своей концепции PTES, что «это реализация насосного хранения тепла, которая отличается от других главным образом заменой теплообменников на термоклины.Он указывает, что в пределе генерация энтропии теплообменниками равна нулю. Он также проводит интересное сравнение ПТЭС с гидронасосной установкой, говоря: «Один кг воды, падающей с высоты 380 м, передает лопастям турбины 3,4% энергии, которую передает 1 кг аргоновой рабочей жидкости при движении по контуру Брайтона. В случае азотной рабочей жидкости она составляет 1,7%. Для аккумулирования тепла также требуется меньше земли, чем для гидроэлектростанций с насосами, и, конечно же, не требуются горы или запасы воды.Тауверон и др. (2017) представили экспериментальное исследование сверхкритического CO 2 в системе накопления термоэлектрической энергии, включая циклы Ренкина и теплового насоса, в 2017 году. Они цитируют численное моделирование переходных процессов для всей системы, достигающей эффективности туда и обратно ~ 30–35%. из-за потерь при хранении и необратимости в теплообменниках и механизмах.

После постройки демонстратора работа McTigue et al. (2019) на PTES со сверхкритическими циклами CO 2 продемонстрировали, как цикл с неидеальным газом может обеспечить лучшую эффективность цикла по сравнению с идеальным газом. Используя коэффициент потери давления и температуры, КПД рассчитывается как функция изоэнтропического КПД для идеальных и неидеальных газовых циклов. Включая все коэффициенты потерь, заявлено, что эффективность оборота для PTES составляет от 40 до 70% достижима (McTigue et al., 2019). Лаланн и Бирн (2019 г.), также в 2019 г., представили крупномасштабную насосную систему хранения тепловой электроэнергии, использующую CO 2 в качестве рабочей жидкости, в сочетании с подземной насосной гидросистемой, в которой для размещения аккумулирующих средств использовались облицованные скальные пещеры.Стальная футеровка используется для герметизации, а затем бетонная конструкция обратной засыпки используется для передачи сил давления от сжатого газа в контейнере на коренную породу. Отмечено, что при высоких рабочих давлениях 7–15 МПа цилиндрические стальные сосуды на открытых площадках, не стесненных горным массивом, не могут представлять собой экономичных решений для диаметров более 5 м, так как большие надземные герметичные сосуды выгодны. из-за отсутствия эффекта масштаба в пересчете на массу конструкционных материалов и из-за того, что большая толщина металла слишком затратна в сборке, связанной со сварочными работами и ее аттестацией.

Мы исследуем развязанную систему и сравниваем ее с системой , связанной с . Раздельная система отличается тем, что имеет отдельный рабочий контур, который через теплообменники соединен с двумя термоклинами с насадкой низкого давления (одной горячей и одной холодной). Наличие теплоносителя в теплоаккумуляторах с давлением, близким к атмосферному, означает, что резервуары для хранения могут быть увеличены без ограничений, налагаемых наличием рабочей жидкости в горячем накопителе под высоким давлением.Это также может сделать работу контура рабочей жидкости с более высоким коэффициентом давления более осуществимой.

Вдохновленные многообещающей работой, проведенной на PTES, и надвигающимся спросом на крупномасштабное хранение энергии, здесь мы предлагаем несколько вкладов. Во-первых, зависимость оборотного КПД ПТЭС от изоэнтропических КПД турбомашин в отдельности. Во-вторых, концептуальный проект и анализ производительности развязанной системы PTES мощностью 1 ГВтч, включая сравнение со связанным аналогом.

Этот анализ показывает ожидаемую производительность с реалистичными конструктивными параметрами и влияние различных конструктивных параметров в анализе чувствительности One at a Time; дана разбивка потерь по каждому компоненту. Используемая модель включает изоэнтропические КПД оборудования для сжатия и расширения, перепады давления в теплообменниках и численное представление теплоаккумуляторов термоклина. В анализе также рассматривается вопрос о долгосрочных характеристиках накопления энергии системы PTES путем изучения производительности по мере увеличения времени выдержки заряженных .Наконец, мы рассмотрим некоторые практические аспекты обеих систем и проведем простой анализ затрат.

Модели системы PTES

Сначала рассмотрим более простую модель сопряженной системы, в которой рабочая жидкость проходит непосредственно через теплоаккумуляторы (рис. 2). Термические хранилища будут заполнены гравием, в основном состоящим из кварца со средним размером гальки около 4–10 мм в диаметре. Мы предполагаем, что возможен теплообмен с окружающей водой . Во время фаз зарядки и разрядки рабочие температуры оборудования для сжатия и расширения значительно различаются.Например, в фазе зарядки расширитель может иметь температуру на входе 300 К и температуру на выходе около 100 К, тогда как во время разряда температура на входе в расширитель может быть около 1000 К, а на выходе около 300 К. Мы предполагаем, что осевое проточные турбомашины могут использоваться для требований сжатия и расширения, и мы предполагаем, что наличие различных машин для условий заряда и разряда поможет разработать машины с высокой изоэнтропической эффективностью.Показана серия двухходовых клапанов, которые переключаются между режимами заряда и разряда; изменение направления потока через теплоаккумуляторы и включение и выключение соответствующего оборудования для сжатия и расширения. Когда рабочая жидкость проходит через накопители тепла, в накопителе тепла всегда будет давление нагнетания компрессора или близкое к нему; что требует значительного сосуда высокого давления для хранения горячего гравия.

Рисунок 2 . Связанная система PTES в режиме загрузки (обратите внимание на расположение клапанов для переключения в режим разряда).

То, что мы называем развязанной системой , — это система, в которой в теплоаккумуляторах циркулирует собственный теплоноситель, который не проходит через контур сжатия-расширения (рис. 3, 4), или то, что мы называем в качестве рабочей схемы . Отдельный рабочий контур передает тепло контурам теплоаккумуляторов через развязывающие теплообменники . Рабочий контур по существу такой же, как и в связанной системе, за исключением того, что теплопередача с почти постоянным давлением осуществляется в развязывающих теплообменниках, а не непосредственно с материалом, аккумулирующим тепло. Потенциальное преимущество этого заключается в том, что теплоаккумуляторы, в частности, горячий аккумулятор, не должны находиться под повышенным давлением рабочего контура и, таким образом, могут работать при давлении, близком к атмосферному. На первый взгляд, это открывает двери для проектирования больших термоаккумуляторов без ограничений и ограничений по размеру толстостенных цилиндрических сосудов высокого давления, которые признаны наиболее эффективной геометрией для сосудов высокого давления. Для развязанной системы требуется два вентилятора для циркуляции теплоносителя через аккумуляторы тепла и развязывающие теплообменники.Это приводит к дополнительным потерям, но падение давления в теплоаккумуляторе и развязывающем теплообменнике можно сделать низким, чтобы свести их к минимуму.

Рисунок 3 . Развязанная система PTES в режиме заряда.

Рисунок 4 . Развязанная система PTES в режиме разряда.

Зависимость оборотного КПД ПТЭС от изэнтропического КПД турбомашин

Отметим, что за последнее десятилетие было представлено несколько уравнений для эффективности оборота (Desrues et al. , 2010; Уайт и др., 2013 г.; Laughlin, 2017), включая, в частности, общее выражение Уайта для круговой эффективности. Это общее выражение теперь развито в несколько иной форме, которая прямо показывает зависимость оборотного КПД от изоэнтропического КПД как компрессора, так и детандера и степени повышения давления.

Мы рассматриваем идеализированную систему PTES, в которой рабочий газ рассматривается как идеальный газ, и учитываются только потери, связанные с необратимостью компрессора и детандера.Работа, связанная с компрессором и детандером, рассчитывается из уравнения энергии установившегося потока. Изменение температуры в каждой машине зависит от отношения давлений и изоэнтропического КПД, что дает следующие выражения для работы компрессора и детандера соответственно.

Wc=mg.CpgTINcηc(rpγ-1γ-1)    (1)

We=mg.CpgTINeηe(1-1rpγ-1γ)    (2)

Из этого следует, что чистая работа, поглощаемая системой PTES во время зарядки, и чистая работа, выполняемая во время разрядки, представлены в следующих уравнениях, где мы отмечаем, что отношение давления зарядки и разрядки одинаково.

Wnet(зарядка)=WC-WE=m˙CpgT1(rpα-1)ηc-m˙CpgT4(1-1rpα)ηE    (3)

Wnet(разрядка)=WE-WC=m˙CpgT2(1-1rpα)ηE-m˙CpgT5(rpα-1)ηc    (4)

Из определения изоэнтропического КПД можно определить следующие выражения для отношения температур в компрессоре и детандере в зависимости от отношения давлений и изоэнтропического КПД

T2T1=(1+rpαηC-1ηC)    (5)

T5T4=(1-ηE+ηErpα)    (6)

Предполагая, что система заряжается и разряжается в течение одинакового времени, мы рассчитываем эффективность цикла следующим образом:

ηtr=Wnet(разрядка)Wnet(зарядка)    (7)

Мы также предполагаем, что T 1 = T 4 и что у нас есть идеальные теплоаккумуляторы, которые возвращают газ при температуре зарядки, так что температуры на входе детандера и компрессора во время нагнетания всегда эквивалентны температурам горячего и холодного хранения, достигаемым во время зарядка.Подставляя уравнения (5) и (6) в уравнение (4), а затем подставляя уравнения (3) и (4) в (7), мы приходим к следующему выражению для эффективности оборота.

ηtr=(1+rpαηc-1ηc)C2ηE-(1-ηE+ηErpα)C1ηcC1ηc-C2ηE    (8)

где

C1=rpα-1,    C2=1-1rpα   и   α=γ-1γ

На рис. 5 показан результат расчета коэффициента полезного действия по уравнению (8) для рабочего тела аргона и степени сжатия 20. Поскольку это предполагает отсутствие других потерь в системе, это представляет собой максимально возможный коэффициент полезного действия, который достижимо для данной степени сжатия и изоэнтропической эффективности компрессора и детандера, которые являются параметрами, обычно используемыми в промышленности для описания производительности машины.Понятно, что минимизация необратимости в обеих машинах имеет решающее значение для эффективного PTES. Также отметим более сильное падение производительности по мере снижения изоэнтропического КПД детандера по сравнению с компрессором. Это связано с тем, что необратимость в компрессоре приводит к более высокой температуре на выходе, чем у теоретически идеальной изэнтропической машины, и поэтому часть дополнительной работы, необходимой для питания несовершенной машины, преобразуется в полезное высококачественное тепло, которое может накапливаться во время фазы зарядки. Это не относится к расширителю, где несовершенная машина просто приводит к более высокой температуре в холодильной камере и меньшей работе расширителя при разгрузке, что снижает эффективность оборота по обоим пунктам.

Рисунок 5 . Оборотный КПД как функция изоэнтропического КПД компрессора и детандера, рассчитанный с использованием уравнения (8) при степени сжатия 20 и коэффициенте теплоемкости для одноатомного газа, такого как аргон.

Эскизный проект развязанной системы PTES мощностью 1 ГВтч

Мы моделируем систему ПТЭС, способную многократно выдавать 1 ГВтч электроэнергии с номинальной выходной мощностью порядка 100 МВт.Горячий и холодный склады имеют внутренний объем 30 000 и 60 000 м 3 3 соответственно. Простой термодинамический анализ ПТЭС показывает, что горячие и холодные хранилища тепла должны иметь одинаковую тепловую массу (Davenne et al., 2017). Однако из-за уменьшения теплоемкости аккумулирующих сред при низкой температуре (Anderson, 1936) холодильная камера должна быть примерно вдвое больше, чем горячая. Общая необходимая масса гравия для заполнения теплоаккумуляторов при доле пустот, равной 0.5 составляет ~90 тыс. тонн. Эскизная конструкция имеет теплоаккумуляторы, которые окружены слоем теплоизоляции из керамического волокна толщиной 0,5 м с теплопроводностью 0,5 Вт/мК. Выбран диаметр гальки 4 мм, так как это дает хороший компромисс между падением давления и площадью поверхности теплопередачи. Теплоаккумуляторы имеют низкое удлинение с минимальной шириной 30 м и глубиной в направлении потока 10 м. Также установлено, что низкое соотношение сторон полезно с точки зрения минимизации перепада давления и связанных с этим потерь энергии (Cardenas et al., 2018). Питание теплоаккумуляторов осуществляется коллектором на основе серии каналов диаметром 5 м, что обеспечивает существенное снижение перепада давления в коллекторе по сравнению с перепадом давления в термоаккумуляторе. Это должно помочь обеспечить равномерность потока по всему термальному накопителю и избежать проблем с нестабильностью термоклина (Davenne et al. , 2018). Мы выбрали аргон в качестве жидкости рабочего контура и азот в раздельных теплоаккумуляторах, что облегчает сравнение со связанной системой, использующей аргон. Более высокое отношение удельных теплоемкостей аргона по сравнению с азотом означает, что для данного отношения давлений могут быть достигнуты более высокие соотношения температур.Из уравнения (8) видно, что соотношение давлений 20 для аргона и 64 для азота обеспечивает эквивалентную эффективность оборотов. Максимальный температурный коэффициент для системы PTES будет ограничен допустимой рабочей температурой материалов хранения и материалов, используемых для конструкции турбомашины, температурой сжижения газа и степенью сжатия, достижимой с турбомашиной. Рабочая жидкость аргон с коэффициентом давления 20 приближается к практическому максимальному температурному коэффициенту в пределах типично достигаемых промышленных коэффициентов давления осевого компрессора (т.э., до 30) (Boyce, 2011). Мы предполагаем использование осевых компрессоров и детандеров и выбираем значение изоэнтропического КПД 0,9 для компрессора и 0,95 для детандера. Согласно Балмеру (2011 г.), изэнтропический КПД турбины и компрессора современных авиационных газотурбинных двигателей обычно находится в диапазоне 85–95% и 80–90% соответственно. Хотя мы взяли оптимистичные значения в верхней части этих диапазонов, мы также показываем влияние на производительность системы, если эти значения не достигаются.Изэнтропический КПД для других машин, таких как спиральные, рутовые или винтовые компрессоры/детандеры, как правило, ниже, чем требуется здесь; порядка 0,7 (Dumont et al., 2018).

Теперь мы представляем несколько архитектурных изображений эскизного проекта системы мощностью 1 ГВтч, чтобы дать представление о масштабе и содержании такой системы (рис. 6–8). Два тепловых накопителя расположены с каждой стороны зала передачи энергии , в котором находится рабочий контур. Аккумуляторы тепла встраиваются в подземную выемку, а затем верхний коллектор надвигается на аккумулятор тепла после его заполнения гравием.На рис. 6 показана меньшая горячая камера, полностью заполненная гравием, а верхний коллектор все еще находится в частично открытом положении. Большая холодильная камера все еще заполняется при полностью открытом верхнем коллекторе. На рис. 7 более подробно показан зал передачи энергии, содержащий коаксиальное оборудование для сжатия и расширения в центре здания. Затем эти машины подключаются к развязывающим теплообменникам через каналы диаметром 1,5 м. Эти теплообменники являются критически важными компонентами с точки зрения эффективности системы, а их предполагаемый размер 20 м в длину и 7 м в диаметре обусловлен необходимостью высокой эффективности и низкого перепада давления.В то время как система с развязкой потребует больших теплообменников, есть доказательства того, что с помощью современной технологии компактных теплообменников достижимы желаемые характеристики (см. раздел «Результаты»). Показано расположение вентиляторов, обеспечивающих циркуляцию азота в теплоаккумуляторах, а также теплообменников атмосферной воды и клапанных коробок, позволяющих переключаться с режима заряда на режим разряда. На рис. 8 показан вид объекта из-под земли, на котором показаны нижние коллекторы, построенные под термоаккумулятором, и глубина углубления, содержащего гравий.

Рисунок 6 . Вид объекта в конфигурации технического обслуживания (теплохранилища открыты).

Рисунок 7 . Вид на зал передачи энергии и термоаккумуляторы в рабочей конфигурации.

Рисунок 8 . Подземный вид объекта показан в рабочем состоянии.

Мы перечисляем выбранные параметры дизайна для эскизного проекта развязанной системы PTES (таблица 1).

Таблица 1 .Сводка параметров эскизного проекта.

Моделирование ПТЭС

Сценарий был написан в MATLAB для моделирования производительности системы PTES. Основной сценарий вызывает несколько подпрограмм для моделирования подсистем, таких как теплоаккумуляторы, компрессоры, расширители и теплообменники. Алгоритм, показанный на рисунке 9, предназначен для демонстрации базовой логики, используемой сценарием, и того, в каком порядке вызываются модели подсистем. Он показывает входные и выходные значения температуры и давления для каждой подсистемы. Сценарий основан на полунеявном численном методе опережающего времени, который используется для разрешения профилей теплового накопителя. Стабильность решения была исследована путем проверки того, что согласующиеся результаты даются, поскольку временной шаг и пространственные шаги варьируются вокруг номинально используемых значений, которые представляют собой временной шаг 20 с и пространственный шаг 0,01 м. В этом разделе рассматриваются уравнения, лежащие в основе каждой из моделей подсистем.

Рисунок 9 . Алгоритм моделирования ПТЭС.

Тепловой магазин Модель

В основе модели PTES лежит моделирование аккумулирования тепла. Эволюция профиля температуры и давления в хранилищах тепла определяется с помощью численного метода временного марша, примененного к одномерной модели термоклинов уплотненного слоя. Здесь следует отметить, что эта модель предполагает круглую геометрию упакованных кроватей, несмотря на то, что на изображениях архитектора показаны прямоугольные магазины (однако общий объем такой же, как и в этой модели). Это не потому, что окружность предпочтительнее, а потому, что для одномерной модели было удобно иметь геометрию, которую можно определить одним измерением; кроме того, с большими хранилищами с низким соотношением сторон (например, нарисованным на изображениях архитектора) результаты по-прежнему репрезентативны. Модель включает газовый и твердый элементы в каждой позиции по оси z вдоль хранилища, а также учитывает передачу тепла к стене хранилища тепла и от нее и утечку тепла через внешний слой изоляции, как показано на рисунке 10.

Рисунок 10 . Одномерная конечно-элементная модель термоклина, показывающая твердые и газовые элементы, стенки сосуда, изоляцию и периферийные утечки тепла.

Тепловой баланс, учитывающий элементарную теплопередачу между газом и твердым телом, qh , и конвекцию тепловой энергии между элементами, расположенными выше и ниже по потоку, qout, qin , дает следующие два дифференциальных уравнения, известные как уравнения Шумана (Schuman, 1929).

∂Tg∂z=-(Tg-Ts) l    (9)

и

∂Ts∂t= (Tg-Ts) τ    (10)

где

l=mgCpgd6hA(1-ε)    (11)

Мы используем полунеявный метод для решения этого набора уравнений, как описано Уайтом (2011).Начнем с интегрирования уравнения (9) по пространственному шагу, предполагая, что T с постоянно на этом шаге, что дает следующие

[ln(Ts-Tg)]=[-zl]    (13)

Добавление ограничений по каждой стороне пространственного шага дает

Tgin=Ts(1-e-Δzl)+Tgi-1ne-Δzl    (14)

Затем используйте следующие

Ц=Ци-1н+Цин2    (15)

получаем

Tgin=Tsi-1n(1-e-Δzl)+Tsin(1-e-Δzl)+Tgi-1ne-Δzl    (16)

Затем интегрируйте уравнение (10) по каждому временному шагу, предполагая, что T g является постоянным.Выполнение той же процедуры дает аналогичное выражение для T s , а затем запись двух выражений в матричной форме дает следующее

[10,5(а-1)0,5(б-1)1][ТгинЦин]=[Ци-1н(1-а)+Тгин-1аТгин-1(1-б)+Ци-1нб]    (17)

Где a = e-Δzl и b = e- Δtτ

Затем инвертируйте матрицу 2 × 2, чтобы найти [TginTsin], который представляет температуру газа и твердого тела на следующем временном шаге. Вычислительное пространство показано на рисунке 11.

Рисунок 11 .Вычислительное пространство.

Начальное условие для всех значений в пространстве, т. е. все значения n применяются к левому столбцу узлов ( i =0). Значение n = 0 остается пользовательским вводом для всех i, поскольку оно соответствует температуре на входе в хранилище. Знание ценности T G и T S на I = 1, N = 0 и I = 0, N = 1 Затем значение на i = 1, n = 1 можно найти с помощью обращения матрицы.После завершения каждого столбца в пространстве алгоритм переходит к следующему столбцу, соответствующему шагу вперед во времени.

Тепловая инерция стены теплоаккумулятора учитывается путем расчета температуры стенки в каждой точке вдоль теплоаккумулятора, а теплообмен между газом внутри теплоаккумулятора и стеной рассчитывается следующим образом

qw=UAw(Tg(n)-Tw(n))    (18)

, где UA w представляет собой общий коэффициент теплопередачи между газом в хранилище и центром масс стены. Периферийные потери тепла от теплоаккумулятора в окружающую среду учитываются с использованием общего коэффициента теплопередачи между стеной и окружающим воздухом. Это зависит от пути прохождения через наружную изоляционную оболочку и предполагаемого коэффициента естественной конвекции. Периферийные теплопотери от каждого дискретного элемента теплоаккумулятора определяются по

qp=UAp(Tw(n)-Tamb)    (19)

Где

UAp=12πkδzln(R4R3)+12πhncR3δz    (20)

А R 3 и R 4 — внешний радиус теплоаккумулятора и внешний радиус теплоизоляции соответственно.Утечки тепла на горячем или холодном концах теплоаккумулятора определяются следующим образом: где w — толщина изоляции сверху и снизу теплоаккумулятора.

qend=UAe(Tg(n=1)-Tamb)    (21)

UAe=1wkπR22+πhncR22    (22)

Дискретизированная версия уравнения Эргуна (Ergun, 1952) используется для определения перепада давления в теплоаккумуляторах на каждом временном шаге

δP=(P(n)-P(n-1))=150µ(1-ε)2d2ε3vsδz+1,75ρ(1-ε)dε3vs2δz    (23)

Температурная зависимость свойств газа означает, что перепад давления через теплоаккумуляторы зависит от степени их заряженности и рассчитывается на каждом временном шаге.

Термодиффузионная модель

Также рассматривается влияние на оборотную эффективность поддержания термоаккумуляторов в заряженном состоянии. При отсутствии потока через теплоаккумуляторы профили температуры будут изменяться за счет термодиффузии в насадке и утечки тепла через изоляцию в атмосферу. Мы решаем следующее уравнение диффузии численно, где β – температуропроводность, основанная на эффективной теплопроводности термоклина уплотненного слоя (Dietz, 1979).

∂Ts∂t-β∂2Ts∂z2=qloss    (24)

В дискретизированной форме для каждого временного шага мы имеем следующее изменение энергии внутри элемента теплоаккумулятора, где k эфф – эффективная теплопроводность теплоаккумулятора с насадкой.

δE(n)=keffπR12δz(2Ts(n)-Ts(n+1)-Ts(n-1))δt-UAw(Ts(n)-Tw(n))δt-UAp(Tw(n)-Tamb ) δt    (25)

Затем температура элемента на следующем временном шаге пересчитывается следующим образом

Ts(n,i+1)=Ts(n)+δE(n)δmCp    (26)

Интеграция эксергии

Эксергия, связанная с массовым изменением температуры от эталонного состояния 0 до состояния 1, определяется следующим интегралом

B=∫01mCp(1-T0T)dT    (27)

Мы выполняем этот интеграл для каждого элемента в тепловом накопителе, чтобы определить эксергию, содержащуюся в каждом тепловом накопителе. Мы использовали зависимость теплоемкости гравия от температуры (уравнение 48). Подставив это в уравнение (27) и проинтегрировав, мы получим следующее выражение для эксергии, содержащейся в n-м элементе теплового накопителя.

B(n)=CA(Ts2(n)2+T022-Ts(n)T0)+CB(Ts(n)-T0+T0ln(T0Ts(n)))    (28)

Мы также можем найти поток эксергии в теплохранилище и из него следующим образом

Bin(i)=mg.Cpg(Tg(n=1)-T0+T0ln(T0Tg(n)))    (29)

Компрессор/расширитель Модель

Мощность компрессора связана с перепадом давлений и изоэнтропической эффективностью, как показано ранее в уравнении (1).В отличие от раздела, посвященного изолированному изучению изоэнтропической эффективности, мощность детандера теперь рассчитывается следующим образом:

We=mg.CpgTINeηe(1-1rpeγ-1γ)    (30)

Где T IN представляет температуру на входе компрессора и детандера. Что касается модели системы (рис. 3), то T INc = T1 и T INe = T4 в режиме заряда и T INc = T5 и T INe = T2 в режиме разряда (рис. 4). Степень повышения давления расширителя определяется из степени повышения давления компрессора и расчетных перепадов давления в теплоаккумуляторах следующим образом.

rpe=rp-ΔPh-ΔPwh2+ΔPc+ΔPwc    (31)

Где в случае сопряженной системы Δ P h и Δ P c — перепады давления в горячих и холодных теплоаккумуляторах соответственно, полученные интегрированием уравнения ( 23) по длине термоклина. Δ P wh и Δ P wc — перепады давления в теплообменниках с атмосферной водой. В случае разъединенной системы Δ P h и Δ P c — расчетные потери давления в развязывающих теплообменниках.Поглощаемая или отдаваемая полезная мощность просто определяется из

Во время фазы зарядки температура на входе в компрессор и детандер поддерживается близкой к температуре окружающей среды за счет теплообмена с окружающей водой, т. е. В режиме заряда температура нагнетания компрессора рассчитывается следующим образом:

T2=T1(1+(rpα-1ηc))    (33)

, а температура нагнетания детандера рассчитывается следующим образом:

T5=T4(1-ηe(1-1rpα))    (34)

Во время фазы нагнетания температура на входе в компрессор и детандер определяется по выходу теплоаккумуляторов с учетом утечек тепла и эффективности теплообменника в разъединенном случае.

Модель вентилятора

В разъединенной системе теплоноситель прогоняется через теплообменники и теплоаккумуляторы с помощью вентилятора. Работа сжатия вентилятора просто основана на работе изоэнтропического сжатия следующим образом.

Wfan=mg.CpgTambηfan(rpfanγ-1γ-1)    (35)

Вентилятор стратегически расположен в верхней части контура холодильной камеры и в нижней части контура горячего хранилища, так что он работает при температуре, близкой к температуре окружающей среды, что делает стандартную машину жизнеспособной. Отношение давлений рассчитывается на каждом временном шаге из суммы перепадов давления в аккумуляторе и теплообменнике.

Модели теплообменников

Теплообменники с развязкой газ-газ и теплообменники газ-вода окружающей среды моделируются с использованием метода NTU. Предполагается, что они представляют собой кожухотрубный теплообменник, состоящий из пучка небольших труб для газовой стороны высокого давления, окруженных одним противоточным каналом низкого давления. Устройство моделируется как ряд противоточных теплообменников, количество передаточных устройств рассчитывается следующим образом.

Где UA — общий коэффициент теплопередачи между двумя жидкостями.Это оценивается на основе корреляции числа Диттуса-Бельтера-Нуссельта с каждой стороны, а также толщины стенок трубы, которые, как предполагается, имеют теплопроводность инконеля. Тогда эффективность теплообменника определяется следующим образом:

ε=1-e(-NTU(1-CminCmax))1-CminCmaxe(-NTU(1-CminCmax))    (37)

Если C min = C max , тогда эффективность упрощается до

После расчета эффективности можно определить температуру на выходе из теплообменников в зависимости от температуры на входе. Так, например, с моделью развязанной системы, предполагая, что теплоемкость потока на каждой стороне теплообменника одинакова, тогда в режиме зарядки температура на входе в теплоаккумуляторы может быть определена как функция эффективности теплообменника. следующее.

Tc1=Tc4-ϵ(Tc4-T5)    (39)

Th2=Th5+ϵ(T2-Th5)    (40)

В режиме нагнетания температуры на входе в компрессор и детандер определяются следующим образом

T5=T6-ϵ(T6-Tc1)    (41)

T2=T3+ϵ(Th2-T3)    (42)

Падение давления на каждой стороне теплообменника определяется из уравнения Дарси для градиента давления (Massey, 1989) из-за турбулентного потока в гладкой трубе.Для турбулентного потока используется выражение Блазиуса для коэффициента трения, т.е.

f=0,3164Re0,25    (43)

Утечка тепла

Утечка тепла между аккумуляторами и окружающим воздухом уже учтена в модели аккумулирования тепла. Мы также учитываем утечку тепла между воздуховодами коллектора и окружающим воздухом. Это просто решается с помощью общего коэффициента теплопередачи, действующего между температурой газа в воздуховоде и окружающим воздухом. Мы предполагаем, что воздуховоды обернуты 0.5-метровый слой утеплителя из керамического волокна. Это приводит к перепаду температур, который влияет на производительность, как показано в следующих уравнениях для работы в режиме заряда.

Th3=Th2-ΔTloss h    (44)

Tc2=Tc1+ΔTпотеря c    (45)

ΔTloss h=ΔUAducts((Th3+Th22)-Tamb)    (46)

ΔTloss c=UAducts(Tamb-(Tc2+Tc12))    (47)

Где UA воздуховоды — общий коэффициент теплопередачи между газом внутри воздуховода и окружающим воздухом.

Модели материалов

Аргон и азот рассматриваются как идеальные газы.Данные о температурной зависимости свойств газа, таких как вязкость и теплопроводность, определяются из базы данных NIST (Stewart and Jacobsen, 1989; Lemmon et al., 2018).

Линейная зависимость используется для определения температурной зависимости гравия следующим образом. Это основано на подгонке данных для кварца от Хемингуэя (1987) и Андерсона (1936). Проверка уравнения (48) с C A = 450 и C B = 0,695 показывает, как теплоемкость, как ожидается, упадет с понижением температуры (рис. 12), T в единицах Кельвина и удельной теплоемкости в единицах Кельвина. Дж/кгК.

Рисунок 12 . Температурная зависимость теплоемкости кварца.

Эффективность разворота

Эффективность оборотов рассчитывается на основе цикла за циклом, когда время заряда и разряда эквивалентно, а система и тепловые накопители достигли периодической работы, обычно после 100 циклов.

ηtr=ηMηG∫td1td2Wnetdt∫tc1tc2-Wnetdt    (49)

, где tc1 и tc2 — время начала и окончания цикла зарядки, а td1 и td2 — время начала и окончания цикла разрядки.η M — КПД электродвигателя, η G — КПД генератора.

Результаты

Теперь мы представляем ряд результатов, посвященных характеристикам контурной несвязанной конструкции. Мы изменяем различные важные параметры по одному, чтобы увидеть, насколько чувствительна система к каждому параметру. Во всех случаях мы рассчитываем циклическую эффективность схемы, вводя простой цикл заряда-разряда (рис. 13) в качестве входных данных для имитационной модели.Каждый цикл зарядки-разрядки — это просто 10 часов зарядки, за которыми следуют 10 часов разрядки (1,65 ГВтч электроэнергии, потребляемой во время зарядки, и 1 ГВтч электроэнергии, вырабатываемой во время разрядки с расчетными расчетными параметрами). Сообщаемая эффективность оборота рассчитывается, как только система достигает повторяемой периодической производительности в каждом цикле. Если не указано иное, все параметры конструкции соответствуют эскизному проекту (таблица 1).

Рисунок 13 . Используется повторяющийся цикл зарядки/разрядки.На оси массового расхода +ve относится к зарядке, -ve относится к разрядке.

Тепловые склады

На рисунках 14, 15 показаны тепловые профили в горячих и холодных камерах после начального цикла заряда-разряда, а затем после 100 повторных циклов заряда-разряда. Профили термоклина, показанные после 100 циклов, представляют собой периодические тепловые фронты, которые развиваются после каждой фазы заряда и разряда. На рисунке 16 показано расчетное давление внутри разделенных горячих и холодных аккумуляторов в конце циклов заряда и разряда, прогнозируемая разница давлений в горячем аккумуляторе больше, чем в холодном аккумуляторе, как можно было ожидать из-за более высокой температуры. газ меньшей плотности.Даже при приближении к полностью заряженному состоянию перепад давления не превышает 3500 Па.

Рисунок 14 . Профили температуры горячих камер ( z = 0 вверху, z = 10 м внизу). (а) после первоначального заряда, (б) после первоначального разряда, (в) после 100 циклов заряда, после 100 циклов разряда.

Рисунок 15 . Профили температуры в холодильной камере ( z = 0 внизу, z = 10 м вверху). (а) после первого заряда, (б) после первого разряда, (в) после 100 циклов заряда, (г) после 100 циклов разряда.

Рисунок 16 . Манометрическое давление в термоаккумуляторах. (a) горячее хранилище в режиме зарядки в конце цикла зарядки, (b) холодильное хранилище в режиме зарядки в конце цикла зарядки, (c) горячее хранилище в режиме разрядки в конце цикла разрядки, (d) холодильное хранилище в режиме разрядки в конце цикла разряда.

На рис. 17 показана интегральная эксергия, содержащаяся в теплоаккумуляторах после каждого 20-часового цикла, и показано, как значения асимптоты приближаются к константе. Это подтверждает, что поведение накопителя тепла становится периодическим, при этом профили накопителя тепла достигают одной и той же формы после каждого цикла зарядки/разрядки.Эксергия вначале снижается за счет быстрого размытия изначально резкого термоклина, происходящего на начальных циклах. Затем по мере того, как термоклин распространяется по накопителю, удерживается больше эксергии, пока не будет достигнут предел, при котором разница между температурой на выходе и на входе начинает уменьшаться как на фазах зарядки, так и на фазах разрядки.

Рисунок 17 . Стабилизация эксергии в хранилищах тепла указывает на то, что поведение накопителей тепла становится периодическим.

Для проверки мы рассчитываем потери эксергии от теплоаккумуляторов и системные потери энергии для идеальной системы, в которой учитываются только потери в теплоаккумуляторах. Первоначально потери энергии за цикл невелики, потому что теплоаккумуляторы могут возвращать тепло, очень близкое к хранимой температуре в течение всего периода разряда, поскольку не было значительного размытия термоклина. Комплексное развитие теплового фронта приводит к увеличению потерь энергии системы с последующим уменьшением, асимптотическим к постоянному значению. Потери эксергии в накопителе тепла в первую очередь зависят от скорости диффузии тепловых фронтов накопителя тепла. Вначале на первых циклах это максимум, когда модель запускается с термическим фронтом с острыми краями.Затем, по мере достижения термоклинами периодической повторяемой формы с плавным длительным изменением температуры от горячей стороны к холодной, скорость диффузии и потери эксергии стабилизируются на минимальном значении (рис. 18). Как только достигается периодическое рабочее состояние, можно видеть, что потеря энергии системы за цикл, определенная из анализа первого закона, хорошо соответствует потерям эксергии в тепловых накопителях.

Рисунок 18 . Потери эксергии как от накопителей тепла, так и от полной потери энергии системы за цикл, идеальный цикл i.т. е., изоэнтропические КПД компрессора и детандера = 1, эффективность теплообмена = 1 и перепады давления в теплообменнике = 0,

Изэнтропическая эффективность

Теперь мы варьируем изоэнтропическую эффективность компрессора и детандера в моделировании разъединенной системы с учетом всех потерь, связанных с теплообменниками, теплоаккумуляторами, эффективностью электрических машин, утечками тепла и перепадами давления. На рис. 19 показана аналогичная зависимость от изоэнтропической эффективности, которую мы уже видели, но сравнение с рис. 5 показывает влияние учета всех потерь в системе по сравнению со случаем, когда изэнтропическая эффективность машины является единственной необратимостью в идеальной системе.При расчетных параметрах контура (изэнтропический КПД 0,9 и 0,95 для компрессора и детандера соответственно) потери в системе приводят к падению межоборотного КПД с 79 до 59,5 %. На рис. 19 показано, как ухудшится эффективность оборота, если мы не достигнем изэнтропической эффективности эскизного проекта.

Рисунок 19 . Оборотный КПД как функция изоэнтропического КПД компрессора и детандера.

Коэффициент давления

Обнаружено, что оборотная эффективность разъединенной системы увеличивается с увеличением степени сжатия компрессора (Рисунок 20), в первую очередь потому, что оборотная эффективность фундаментально зависит от отношения температур, а отношение температур увеличивается с увеличением степени сжатия.Перепад давления на расширителе всегда будет меньше перепада давления, создаваемого компрессором из-за перепадов давления в теплообменниках и работе воздуховодов в рабочем контуре. Однако по мере увеличения коэффициента сжатия компрессора плотность газа на стороне высокого давления рабочего контура увеличивается, поэтому перепады давления уменьшаются и оказывают меньшее влияние на перепад давления, необходимый для приведения в действие детандера. Другим следствием соотношения давлений является максимальная и минимальная температура горячего и холодного теплоаккумуляторов (рис. 21).При степени повышения давления 30 мы приближаемся к максимальной температуре 1250 К, что является пределом рабочей температуры для дорогих никелевых сплавов для соединительных трубопроводов и резервуаров горячего теплоснабжения. Также при степени сжатия 30 минимальная температура приближается к 90 К, что очень близко к температуре, при которой газы, которые мы предлагаем использовать, сжижаются, то есть около 87 К для аргона и 77 К для азота при атмосферном давлении. По мере того, как аргон и азот приближаются к сжижению, их удельная теплоемкость начинает значительно увеличиваться, и это может быть нежелательно, поскольку это приводит к увеличению работы компрессора во время фазы нагнетания, что снижает чистую выходную работу.Мы считаем степень сжатия 20 практическим пределом, при котором максимальные температуры в горячих камерах порядка 1000 К хорошо зарекомендовали себя для сплавов стали, содержащих никель, и остается разумный запас от сжижения при минимальной температуре в холодильных камерах. Изучение зависимости теплоемкости от давления и температуры показывает, что удельная теплоемкость не будет изменяться более чем на 5% в системе ПТЭС при степени сжатия 20. Испытания показали, что горные породы, циклически нагреваемые до 873 К, сохраняют целостность и только имеют небольшое снижение теплоемкости (Becattini et al., 2017), и поэтому было бы интересно провести некоторые дополнительные испытания при более высоких температурах, чтобы подтвердить жизнеспособность отношения давлений, равного 20. White et al. (2013) продемонстрировали выражение для эффективности оборота, где отношение давления нагнетания меньше, чем отношение давления наддува, и указали, что существует оптимальная эффективность оборота при уменьшении отношения давления нагнетания. На рис. 22 показан результат модели с расчетными параметрами схемы, включающими коэффициент давления наддува, равный 20, но с уменьшающимся коэффициентом давления нагнетания.Оптимальный КПД четко виден при перепаде давления 13, когда оборотный КПД увеличивается чуть более чем на 1,5% по сравнению со случаем равного перепада давления при зарядке и разрядке. Пониженный коэффициент давления нагнетания также дал бы преимущество с точки зрения размера и сложности турбомашины нагнетания.

Рисунок 20 . Влияние перепада давлений на эффективность оборотов.

Рисунок 21 . Влияние степени сжатия на максимальную и минимальную температуру теплоаккумулятора.

Рисунок 22 . Преимущество снижения коэффициента давления нагнетания, коэффициент давления наддува постоянен на уровне 20.

Эффективность теплообменника

Производительность разъединенной системы очень чувствительна к эффективности теплообменника, как показано на рис. 23. Мы рассчитали, что на основе кожухотрубной конфигурации требуется значительная площадь теплообмена порядка 90 000 м 2 для достижения эффективность дизайна схемы 0.975, сохраняя при этом перепады давления порядка 1000 Па. Его можно упаковать в кожухотрубную конструкцию диаметром 7 м и длиной 20 м. Для справки, были изготовлены современные компактные теплообменники с площадью теплопередачи до 15 000 м 2 / м 3 (Reay et al., 2008) теплообменника, а эффективность микроканальных теплообменников составила 99% ( Пуа и Румбольд, 2003).

Рисунок 23 . Чувствительность к эффективности теплообменника.

Учет убытков

Эффективность оборота равна 59.5 и 63,4% соответственно для развязанной и связанной систем. Здесь мы показываем перечень относительных величин всех необратимостей смоделированных систем PTES, которые в совокупности приводят к этой эффективности. Чтобы проиллюстрировать влияние различных необратимостей, на рисунках 24 и 25 показаны моментальные снимки реальных циклов заряда и разряда схемы. Для сравнения также показан идеальный цикл ПТЭС. Оборотная эффективность также может быть получена путем выполнения циклического интеграла диаграмм T-S заряда и разряда на каждом временном шаге моделирования, а затем суммирования итогов.

Рисунок 24 . Диаграмма температура-энтропия смоделированного цикла заряда, показывающая влияние рассчитанных необратимых потерь по сравнению с идеальным циклом.

Рисунок 25 . Диаграмма температура-энтропия смоделированного разрядного цикла, показывающая влияние рассчитанных необратимых потерь по сравнению с идеальным циклом.

На Рисунке 26 показаны потери в процентах для развязанной системы общего дизайна. В нем подчеркивается, что самая большая необратимость связана с несовершенным характером компрессоров и детандеров, а вторая по значимости потеря связана с развязкой теплообменников.Потери теплообменника, составляющие почти 10%, включают потери из-за эффективности и из-за перепада давления. Электрический КПД двигателя и генератора также оказывает важное влияние на общую эффективность оборотов. Моделирование показывает, что стратифицированные термоклины очень эффективны; он несет ответственность только за потери 2,4%, которые объясняют как несовершенный возврат накопленного тепла, так и падение давления. Представляется возможным снизить потери тепла из предлагаемой системы мощностью 1 ГВтч до <2% от подводимой работы.Используя большие аккумуляторы с малым удлинением и тщательную конструкцию теплообменника, мы считаем, что падение давления в контурах теплоаккумулятора может быть ограничено до <5000 Па. Работа сжатия в вентиляторах приводит к потере 2%, которая включена в развязывающем теплообменнике и теплоаккумуляторе потерь на рис. 26.

Рисунок 26 . Инвентаризация потерь для каждой подсистемы развязанной системы PTES мощностью 1 ГВтч.

На рис. 27 показан запас для сопряженной системы, где эффективность оборота выше 65.достигается 3%. Основное отличие комбинированной системы заключается в том, что давление в горячем хранилище составляет 20 бар; мы считаем, что это потребует использования нескольких цилиндрических сосудов. Сравнительная модель имеет 240 цилиндрических сосудов диаметром 4 м, что соответствует количеству материала для хранения, как и в конструкции с разъединением. Очевидно, что сопряженная система не несет потерь, связанных с развязывающим теплообменником. Кроме того, в теплоаккумуляторах немного меньше потерь из-за меньшего перепада давления; горячий склад под давлением приведет к более низкому падению давления.Однако из-за значительного необходимого увеличения материала резервуара для накопления горячего тепла по сравнению с конструкцией с разъединением возникают более значительные потери, связанные с тепловой инерцией резервуара. Мы предположили, что стенки сосуда диаметром 4 м будут иметь толщину 10 см, чтобы поддерживать окружное напряжение в металле на приемлемом уровне для работы при высоких температурах.

Рисунок 27 . Инвентаризация потерь для каждой подсистемы сопряженной системы PTES мощностью 1 ГВтч.

Также отметим, что значительное количество низкопотенциального тепла может быть отобрано из системы при разряде с минимальным влиянием на оборотную эффективность.Из-за необратимости аргон выбрасывается из компрессора и детандера во время цикла нагнетания значительно выше температуры окружающей среды. Важно охлаждать выпуск детандера до температуры окружающей среды, чтобы поддерживать желаемую рабочую температуру цикла. Охлаждение потока нагнетания компрессора до температуры окружающей среды не столь критично. Если используются оба теплообменника с наружной водой, около 34 МВт тепла передается воде при полной мощности сброса. Это тепло, которое теряется с водой, не считается выгодой в этом анализе эффективности, но потенциально может быть использовано для централизованного теплоснабжения и, таким образом, повысить эффективную эффективность системы.

Длительное хранение

Чтобы оценить потенциал системы PTES для обеспечения длительного хранения энергии порядка 10–100 часов, мы рассчитали снижение эффективности оборота, которое происходит из-за добавления времени пребывания, когда тепловой аккумулятор взимается. На рис. 28 показана форма рабочего цикла, включая время пребывания в заряженном состоянии.

Рисунок 28 . Пример повторяющегося рабочего цикла с временем пребывания в заряженном состоянии. На оси массового расхода +ve относится к зарядке, -ve относится к разрядке.

Во время выдержки тепловой профиль, который мы получаем сразу после зарядки, размывается из-за диффузии и утечки тепла в окружающую среду. На рис. 29 показана разница в профиле горячего хранилища сразу после загрузки и после выдержки в течение 100 часов. Как только термальные фронты накопителя тепла приобретают периодическую форму, они имеют достаточно плавный градиент, поэтому дальнейшая диффузия и размытие теплового фронта происходит очень медленно.На рисунке 30 показано, как мы ожидаем, что эффективность оборота упадет со временем задержки. Несмотря на значительную потерю накопленной энергии, интересно, что даже при времени выдержки в 100 часов эффективность оборота цикла по-прежнему выше 50%. Также отмечено, что развязанное хранилище испытывает меньшие потери по сравнению со связанным хранилищем по мере увеличения времени выдержки. Это связано с меньшей прогнозируемой утечкой тепла из больших разъединенных аккумуляторов тепла по сравнению с несколькими сосудами под давлением объединенной системы.

Рисунок 29 . Влияние 100-часовой выдержки на температурный профиль в горячем хранилище ( z = 0 — вверху, z = 10 м — внизу), a — сразу после фазы зарядки, b — после 100 ч в фазе зарядки.

Рисунок 30 . Влияние на эффективность оборота из-за увеличения времени простоя.

Практические выводы

Есть несколько практических причин, по которым мы считаем, что система PTES подходит для строительства на крупномасштабном .Во-первых, гравий, используемый для хранения энергии в виде тепла, очень дешев, а это означает, что стоимость сырья для хранения не должна ограничивать масштаб системы PTES. Кроме того, теплоаккумулятор будет иметь меньшую утечку тепла в атмосферу на единицу накопленной энергии, поскольку отношение поверхности к объему увеличивается. Наконец, хотя требования к сжатию и расширению требуют разработки новых, специально построенных турбомашин, мы подозреваем, что эффективность машины и экономическая жизнеспособность крупномасштабной системы увеличатся.

Несмотря на моделирование в этой статье, показывающее, что потери из-за развязки делают систему с развязкой менее эффективной, мы обсудим некоторые практические преимущества этой конфигурации. Раздельная система с теплоаккумуляторами, близкими к атмосферному, обеспечивает простоту конструкции и большую гибкость конструкции, что важно для целей масштабирования. Только в этой конфигурации мы ожидаем, что магазины будут расположены в нишах (под землей), как показано на изображениях архитектора (рис. 6–8).Во-вторых, развязанная система также устраняет риск попадания пыли из материала теплоаккумулятора, проходящей через турбомашину и вызывающей повреждения или проблемы с надежностью.

Сравнивая расчетную эффективность, объединенная система будет приносить больший доход после ввода в эксплуатацию. Однако прогнозируется, что эта конфигурация потребует гораздо больших первоначальных инвестиций. Существует значительный дополнительный расход материалов и затраты, связанные с изготовлением большого теплоаккумулятора, который мог бы поддерживать рабочее давление в контуре; больше, чем прогнозируемая стоимость двух развязывающих теплообменников. Простой анализ разницы затрат показывает, что может потребоваться больше времени, чем срок службы типичного крупного объекта (например, угольной или атомной электростанции), чтобы окупить дополнительные капитальные затраты, связанные со строительством большого горячего хранилища под давлением. Чтобы получить разницу в стоимости, мы используем следующее выражение, опубликованное Fraas (1989), для оценки стоимости развязывающих теплообменников в долларах США.

C=m231IF0,639    (50)

Где F — площадь теплопередачи в квадратных футах до максимальной площади 836 м 2 , I — индекс (принимается за 1.6) для учета инфляции до сегодняшнего дня, а m является дополнительным коэффициентом масштабирования для учета количества модулей теплообменника для достижения требуемой площади теплопередачи 90 000 м 90 407 2 90 408 (т. е. 90 315 м 90 316 = 107). Это дает ориентировочную стоимость теплообменника в 10,6 млн фунтов стерлингов. Для оценки стоимости теплового хранилища мы предполагаем, что холодильное хранилище объединенной и разъединенной системы находится под одинаковым давлением и, таким образом, не вносит никакой разницы в стоимости. Для горячих хранилищ мы предполагаем давление 20 бар для сопряженной системы, в отличие от номинального атмосферного давления для раздельной системы.

Разница в стоимости изготовления сосуда на 20 бар по сравнению с сосудом с номинальным атмосферным давлением была оценена с использованием следующего выражения из Seider et al. (1999)

C=I1780L0.87D1.23FPM    (51)

Где L — высота сосуда (10 м), а D — диаметр. Мы принимаем диаметр 4 м, так как это самое большое судно, рассматриваемое в анализе стоимости. Таким образом, нам потребуется 240 судов диаметром 4 м. F PM — коэффициент масштабирования, основанный на материале и давлении.Оно составляет 18 для сосуда из нержавеющей стали на 20 бар и 8 для сосуда из нержавеющей стали с самым низким давлением. Ориентировочная стоимость 240 сосудов на 20 бар составляет 233 миллиона фунтов стерлингов, а 240 сосудов низкого давления – 104 миллиона фунтов стерлингов. Учет этой разницы в теплоаккумуляторах и стоимости двух разъединяющих теплообменников дает разницу в стоимости капитальных затрат в пользу разъединенной системы порядка 108 миллионов фунтов стерлингов. На рис. 31 показан график безубыточности для разницы затрат. Это указывает на то, что если системы PTES могут продавать электроэнергию, подлежащую диспетчеризации, по текущей стоимости возобновляемой энергии, которая, как мы предположили, составляет 50 фунтов стерлингов за МВтч на основе сканирования текущих опубликованных цен, то потребуется более 50 лет, чтобы возместить дополнительные затраты. капитальные затраты на сопряженную систему.Все тенденции показывают, что возобновляемая электроэнергия становится дешевле, однако, если управляемая возобновляемая электроэнергия становится более ценной по мере увеличения проникновения возобновляемой энергии, тогда стоимость выхода PTES может быть выше. На Рисунке 31 показано, что для достижения окупаемости в течение 25 лет потребуется 5-кратный коэффициент стоимости накопленной электроэнергии.

Рисунок 31 . График безубыточности для разницы в стоимости объединенной системы по сравнению с разъединенной системой (a) представляет собой дополнительный дифференциальный CAPEX связанной системы, (b) представляет собой возвращаемое значение дополнительной эффективности связанной системы с учетом продажной цены на электроэнергию. аналогична текущей цене возобновляемой энергии в размере 50 фунтов стерлингов за МВтч, (c) представляет собой возвращенное значение дополнительной эффективности объединенной системы, предполагая, что продажная цена электроэнергии, подлежащей диспетчеризации, получает надбавку и становится в 5 раз больше текущей стоимости возобновляемой электроэнергии, я.е., 250 фунтов стерлингов/МВтч).

Выводы

Здесь было дано простое выражение для указания предела достижимой производительности оборотов в зависимости от изоэнтропической эффективности компрессора и детандера. Мы показали, что оборотная эффективность любой системы ПТЭС более чувствительна к изоэнтропической эффективности детандера, чем у компрессора. Одномерная модель термоклинов уплотненного слоя показала, что тепловые профили внутри теплоаккумуляторов приобретают периодическую повторяющуюся форму после ряда повторяющихся циклов заряда/разряда.

Мы представили эскизный проект развязанной системы PTES , в которой аккумуляторы тепла отделены от рабочего контура с помощью двух развязывающих теплообменников, которые позволяют им работать при давлении, близком к атмосферному. Плановая система рассчитана на поставку 1 ГВт-ч накопленной энергии (электрической), и мы прогнозируем, что после простого повторяющегося цикла зарядки-разрядки достижим циклический КПД 59,5%. Газ теплоаккумулятора может циркулировать через большие теплоаккумуляторы с малым удлинением и минимальным перепадом давления в контуре <5000 Па.Потери теплообмена из-за разъединения могут быть частично компенсированы за счет того, что в изолированном рабочем контуре проще иметь более высокий коэффициент давления. Прежде всего, мы считаем, что развязка теплоаккумуляторов позволяет избежать сложности и стоимости значительных сосудов под давлением, что делает концепцию развязки очень масштабируемой; необходимость технологии, предназначенной для хранения в масштабе сетки.

Чтобы оправдать нашу поддержку развязанной системы PTES, мы предоставили простое сравнение производительности и стоимости между развязанной конструкцией и эквивалентной связанной.В обоих случаях было показано, что необратимость компрессора и детандера ответственна за самые большие потери (20%), а потери, связанные с теплоаккумуляторами, составляют порядка 2%. Развязка теплоаккумуляторов приводит к потерям порядка 10%.

Простой дифференциальный анализ затрат показал, что период, необходимый для покрытия дополнительных капитальных затрат на требуемый сосуд высокого давления в сопряженной системе мощностью 1 ГВтч, может быть больше, чем срок службы типичного промышленного объекта.Однако было отмечено, что это зависит от стоимости запасенной электроэнергии, подлежащей диспетчеризации в будущем.

Эскизный проект системы мощностью 1 ГВтч имеет общую площадь 5 га. Для справки: площадь поверхности, покрытая отвалом угля на электростанции Ratcliff on Soar (одна из оставшихся в Великобритании электростанций, работающих на угле), составляет более 6 гектаров. Для сравнения с аккумуляторными батареями, крупнейшая в Великобритании система хранения состоит из 150 000 литий-ионных аккумуляторных элементов, размещенных в семи сборных зданиях с кондиционерами в районе 0.Участок площадью 5 га и емкость хранилища 50 МВтч.

Для изучения возможностей предлагаемой развязанной системы будущая работа должна включать исследование конструкции адиабатического турбомашинного оборудования; специально для ПТЭС. Рекомендуется разработать многомерное численное исследование хранилищ тепла, чтобы проверить, что используемый здесь одномерный метод и допущения являются разумными для очень больших хранилищ тепла с низким соотношением сторон. Подробное изучение конструкции тепловых аккумуляторов позволит провести более полный анализ затрат на систему PTES мощностью 1 ГВтч.

Заявление о доступности данных

Наборы данных, созданные для этого исследования, доступны по запросу соответствующему автору.

Вклад авторов

TD написал начальный код компьютерного моделирования для моделирования системы PTES и написал первое представление статьи. Следуя первоначальным комментариям экспертов, которые все указывали на то, что требуется более подробная информация о системе тестового примера, BP разработала эскизный проект системы мощностью 1 ГВт-ч и создала ее изображения.BP также внесла свой вклад в улучшение кода и получение обновленных результатов для второй и третьей заявок, а также внесла значительный вклад в обновленные рукописи. Все авторы внесли свой вклад в статью и одобрили представленную версию.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Мы благодарим Джонатана Макдональда за создание графических представлений эскизного проекта, использованных в этой статье.Мы с благодарностью признаем поддержку EPSRC и их финансирование многомасштабного анализа объектов для проекта хранения энергии (МАНИФЕСТ), номер гранта EP/N032888/1.

Сноски

Каталожные номера

Андерсон, К. (1936). Теплоемкости кварца, кристобалита и тридимита при низких температурах. утра. хим. соц. 58, 568–570. дои: 10.1021/ja01295a008

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Балмер, Р. Т. (2011). Современная инженерная термодинамика. Кембридж, Массачусетс: Academic Press.

Академия Google

Бекаттини В., Мотманс Т., Заппоне А., Мадонна К., Хазельбахер А. и Стейнфельд А. (2017). Экспериментальное исследование термической и механической устойчивости горных пород для высокотемпературного хранения тепловой энергии. Заяв. Энергия 203, 373–389. doi: 10.1016/j.apenergy.2017.06.025

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Бенато, А. (2017). Эксплуатационные и стоимостные оценки инновационной насосной системы хранения тепловой электроэнергии. Энергия 138, 419–436. doi: 10.1016/j.energy.2017.07.066

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Бойс, М. (2011). Справочник по проектированию газовых турбин . Оксфорд: Баттерворт-Хайнеманн.

Академия Google

Карденас, Б., Давенн, Т., Роуз, Дж., и Гарви, С. (2018). Влияние конструктивных параметров на эксергетический КПД уплотненного слоя промышленного масштаба. Аккумулятор энергии 18, 267–284. doi: 10.1016/j.est.2018.05.005

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Давенн, Т., Гарви С., Карденас Б. и Роуз Дж. (2018). Устойчивость термоклинов уплотненного слоя. Аккумулятор энергии 19, 192–200. doi: 10.1016/j.est.2018.07.015

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Давенн Т., Гарви С., Карденас Б. и Симпсон М. (2017). Холодильная камера для насосной системы хранения тепловой энергии. Аккумулятор энергии 14, 295–310. doi: 10.1016/j.est.2017.03.009

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Десрю, Т., Руэр Дж., Марти П. и Фурмиг Дж. Ф. (2010). Процесс накопления тепловой энергии для крупномасштабных электрических применений. Заяв. Тепловой инж. 30, 425–432. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2009.10.002

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Дитц, П. В. (1979). Эффективная теплопроводность уплотненных слоев. Индивидуальный инж. хим. Фундамент. 18, 283–286. дои: 10.1021/i160071a015

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Дюмон, О., Партеон, А., Дикес Р. и Леморт В. (2018). Экспериментальное исследование и оценка оптимальной производительности четырех объемных расширителей (спирального, винтового, поршневого и корневого), протестированных в маломасштабной системе органического цикла Ренкина. Энергия 165, 1119–1127. doi: 10.1016/j.energy.2018.06.182

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Эргун, С. (1952). Поток жидкости через колонны с насадкой. J. Chem. англ. Прога . 48, 89–94.

Академия Google

Фраас, А.(1989). Конструкция теплообменника . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Уайли и сыновья.

Академия Google

Гейссбюлер, Л., Бекаттини, В., Зангане, Г., Заваттони, С., Барбато, М., Хазельбахер, А., и др. (2018). Пилотная демонстрация усовершенствованного адиабатического накопителя энергии на сжатом воздухе, часть 1: описание установки и испытания с разумным накопителем тепловой энергии. Аккумулятор энергии 17, 129–139. doi: 10.1016/j.est.2018.02.004

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Хемингуэй, Б.(1987). Кварц: теплоемкость от 340 до 1000 К и пересмотренные значения термодинамических свойств. утра. Минеральная. 72, 273–279.

Академия Google

Хоус, Дж. (2012). Концепция и разработка насосного аккумулирующего теплоэлектроэнергии. Проц. IEEE 100, 493–503. doi: 10.1109/JPROC.2011.2174529

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Кугиас, И., и Сабо, С. (2017). Оценка использования гидроаккумулирующих насосов: предшественник интеграции возобновляемых источников энергии или троянский конь? Энергия 140, 318–329.doi: 10.1016/j.energy.2017.08.106

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Лаланн, П., и Бирн, П. (2019). Крупномасштабные насосные хранилища тепловой электроэнергии — преобразование энергии с использованием неглубоких каменных пещер, двуокиси углерода и подземных насосных гидроэлектростанций. Заяв. Наука . 9, 1–23. дои: 10.3390/app9194150

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Лафлин, Р. (2017). Насосный теплосетевой накопитель с теплообменом. Дж. Продлить. Поддерживать.Энергия , 9:044103. дои: 10.1063/1.4994054

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Леммон, Э., Белл, И., Хубер, М., и Маклинден, М. (2018). REFPROP Версия документации 10 . Боулдер, Колорадо: Национальный институт стандартов и технологий.

Маккей, Д. (2009). Устойчивая энергетика — без горячего воздуха . Кембридж, Великобритания: UIT Cambridge.

Академия Google

Мэсси, Б.С. (1989). Механика жидкостей. Лондон: Чепмен и Холл.

Академия Google

Мактиг Дж., Фаррес-Антунес П., Нейзес Т., Эллингвуд К. и Уайт А. (2019). «Насосное аккумулирование тепловой электроэнергии со сверхкритическими циклами CO2 и подводом солнечного тепла», в 2019 Solar Power and Chemical Energy Systems (Тэгу).

Академия Google

Меркангоз, М., Хемрле, Дж., Кауфманн, Л., З’Грагген, А., и Олер, К. (2012). Электротермический накопитель энергии с транскритическим CO 2 циклов. Энергия 45, 407–415.doi: 10.1016/j.energy.2012.03.013

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Монгирд К., Вишванатан В., Бальдуччи П., Алам Дж., Фотедар В., Коритаров В. и др. (2019). Технология накопления энергии и характеристика затрат. Вашингтон, округ Колумбия: Министерство энергетики США. дои: 10.2172/1573487

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Морандин М., Марешал Ф., Меркангос М. и Бухтер Ф. (2012). Концептуальный проект термоэлектрической системы накопления энергии на основе тепловой интеграции термодинамических циклов — Часть A: Методология и базовый вариант. Энергия 45, 375–385. doi: 10.1016/j.energy.2012.03.031

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Морандин, М. , Меркангоз, М., Хемрле, Дж., Марешал, Ф., и Фаврат, Д. (2013). Теплоэкономическая оптимизация конструкции термоэлектрической системы накопления энергии на основе транскритических циклов СО2. Энергия 58, 571–587. doi: 10.1016/j.energy.2013.05.038

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Пуа, Л., и Румбольд, С. (2003). «Промышленные микроканальные устройства — где мы сегодня», в Первой международной конференции по микроканалам и миниканалам (Рочестер, Нью-Йорк).

Академия Google

Рей, Д., Рамшоу, К., и Харви, А. (2008). Инжиниринг по интенсификации процессов для повышения эффективности, устойчивости и гибкости . Оксфорд: Баттерворт-Хайнеманн.

Академия Google

Шуман, Т. (1929). Теплопередача: жидкость, протекающая через пористую призму. Институт Франклина 208, 405–416. doi: 10.1016/S0016-0032(29)

-8

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Зайдер, В. Д., Сидер, Дж. Д., и Левин, Д. Р. (1999). Принципы проектирования процессов: синтез, анализ и оценка . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Wiley, 824 стр.

.

Смоллбоун А., Джулч В., Уордл Р. и Роскилли Т. (2017). Выровненная стоимость аккумулирования для хранения насосной тепловой энергии по сравнению с другими технологиями хранения энергии. Преобразователи энергии. Управление 152, 221–228. doi: 10.1016/j.enconman.2017.09.047

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Штейнманн, В.Д. (2014). Концепция CHEST (Compressed Heat Energy Storage) для хранения термомеханической энергии в масштабе предприятия. Энергия 69, 543–552. doi: 10.1016/j.energy.2014.03.049

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Стюарт, Р. Б., и Якобсен, Р. Т. (1989). Термодинамические свойства аргона от тройной точки до 1200 К при давлениях до 1000 МПа. J. Phys. хим. Ссылаться. Данные . 18, 639–798. дои: 10.1063/1.555829

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Тауверон, Н. , Макки, Э., Нгуен, Д., и Тартьер, Т. (2017). Экспериментальное исследование сверхкритического теплообмена CO 2 в термоэлектрическом накопителе энергии на основе циклов Ренкина и теплового насоса. Energy Procedia 129, 939–994. doi: 10.1016/j.egypro.2017.09.121

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Уайт, А., Паркс, Г., и Маркидес, К. Н. (2013). Термодинамический анализ перекачиваемого накопителя тепловой электроэнергии. Заяв. Тепловая энергия 53, 291–298. дои: 10.1016/j.applthermaleng.2012.03.030

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Уайт, AJ (2011). Анализ потерь тепловых резервуаров для схем хранения электроэнергии. Заяв. Энергия 88, 4150–4159,. doi: 10.1016/j.apenergy.2011.04.030

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Номенклатура

Хранение тепловой энергии может помочь обезуглерожить здания

Исследователи из лаборатории Беркли сообщили о прорыве в области материалов с фазовым переходом, который повысит доступность аккумулирования тепловой энергии. Материалы с фазовым переходом могут быть добавлены внутрь стен и автоматически поддерживать прохладу или тепло в здании в зависимости от температуры окружающей среды. Предоставлено: Дженни Насс/Лаборатория Беркли

Исследовательские усилия лаборатории Беркли в области передовых материалов и анализа затрат дают значительный толчок развитию забытой технологии.

Может ли бак со льдом или горячей водой быть батареей? Да! Если батарея — это устройство для хранения энергии, то хранение горячей или холодной воды для питания системы отопления или кондиционирования воздуха здания — это другой тип хранения энергии.Эта технология, известная как аккумулирование тепловой энергии, существует уже давно, но ее часто упускают из виду. Теперь ученые из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) прилагают согласованные усилия, чтобы вывести накопление тепловой энергии на новый уровень.

Чтобы преодолеть некоторые ограничения традиционных накопителей тепловой энергии на водной основе, ученые лаборатории Беркли изучают разработку материалов и систем следующего поколения, которые будут использоваться в качестве теплоносителя или охлаждающей среды. Они также создают основу для анализа затрат, а также инструмент для сравнения экономии затрат.В серии статей, опубликованных в этом году, исследователи лаборатории Беркли сообщили о важных достижениях в каждой из этих областей.

«Обезуглероживание зданий, особенно для отопления, очень сложно», — сказал Рави Прашер, заместитель директора лаборатории энергетических технологий Berkeley Lab. «Но если вы храните энергию в форме конечного использования, то есть тепла, а не в форме энергоснабжения, то есть электричества, экономия затрат может быть очень убедительной. И теперь с разработанной нами структурой мы сможем взвесить затраты на хранение тепловой энергии по сравнению с хранением электроэнергии, например, с литиевыми батареями, что было невозможно до сих пор.

В США на здания приходится 40% общего потребления энергии. Из них почти половина идет на тепловые нагрузки, которые включают в себя отопление и охлаждение помещений, а также нагрев и охлаждение воды. Другими словами, пятая часть всей производимой энергии идет на тепловые нагрузки в зданиях. Ожидается, что к 2050 году спрос на электроэнергию от тепловых нагрузок резко возрастет, поскольку природный газ будет постепенно сокращаться, а отопление все больше будет осуществляться за счет электричества.

«Если мы используем аккумулирование тепловой энергии, в котором сырье более обильное для удовлетворения потребности в тепловых нагрузках, это частично снизит потребность в электрохимическом аккумулировании и высвободит батареи для использования там, где аккумулирование тепловой энергии не может быть использовано, — сказал Суманджит Каур, руководитель группы тепловой энергии Berkeley Lab.

Ученые из лаборатории Беркли Рави Прашер (слева) и Суманджит Каур возглавляют усилия по разработке накопителей тепловой энергии для обезуглероживания зданий. Предоставлено: Тор Свифт/Лаборатория Беркли

Жизнеспособная и экономичная альтернатива батареям

По мере того, как наше общество продолжает электрифицироваться, потребность в батареях для хранения энергии, по прогнозам, будет огромной, достигнув, по оценкам, от 2 до 10 тераватт-часов (ТВтч) ежегодного производства батарей к 2030 году с менее чем 0,5 ТВтч сегодня. Поскольку в обозримом будущем литий-ионный аккумулятор станет доминирующей технологией хранения, ключевым ограничением является ограниченная доступность сырья, включая литий, кобальт и никель, которые являются основными компонентами современных литиевых аккумуляторов.Хотя лаборатория Беркли активно работает над устранением этого ограничения, также необходимы альтернативные формы хранения энергии.

«Сейчас литиевые батареи сталкиваются с огромным давлением с точки зрения поставок сырья, — сказал Прашер. «Мы считаем, что хранение тепловой энергии может быть жизнеспособной, устойчивой и рентабельной альтернативой другим формам хранения энергии».

Аккумуляторы тепловой энергии могут быть развернуты в различных масштабах, в том числе в отдельных зданиях — например, в вашем доме, офисе или на заводе — или на районном или региональном уровне.В то время как в наиболее распространенной форме тепловой энергии используются большие резервуары с горячей или холодной водой, существуют и другие типы так называемого аккумулирования явного тепла, например, использование песка или камней для хранения тепловой энергии. Однако эти подходы требуют большого пространства, что ограничивает их пригодность для проживания.

Из жидкого состояния в твердое и обратно

Чтобы обойти это ограничение, ученые разработали высокотехнологичные материалы для хранения тепловой энергии. Например, материалы с фазовым переходом поглощают и выделяют энергию при переходе между фазами, например, из жидкого в твердое и обратно.

Материалы с фазовым переходом имеют ряд потенциальных применений, включая терморегулирование батарей (чтобы они не перегревались или не переохлаждались), усовершенствованный текстиль (подумайте об одежде, которая может автоматически согревать или охлаждать вас, тем самым обеспечивая тепловой комфорт при снижение энергопотребления зданий) и сухое охлаждение электростанций (для экономии воды). В зданиях материалы с фазовым переходом могут быть добавлены к стенам, действуя как тепловая батарея для здания. Когда температура окружающей среды поднимается выше точки плавления материала, материал меняет фазу и поглощает тепло, тем самым охлаждая здание. И наоборот, когда температура падает ниже точки плавления, материал меняет фазу и выделяет тепло.

Однако одна проблема с материалами с фазовым переходом заключается в том, что они обычно работают только в одном диапазоне температур. Это означает, что для лета и зимы потребуются два разных материала, что увеличивает стоимость. Лаборатория Беркли решила решить эту проблему и добиться так называемой «динамической настраиваемости» температуры перехода.

Показаны два разных способа интеграции аккумулирования тепловой энергии в зданиях.Термическая батарея (питание от материала с фазовым переходом) может быть подключена к тепловому насосу здания или традиционной системе отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (слева), или материал с фазовым переходом может быть встроен внутрь стен. Кредит: Лаборатория Беркли

В исследовании, недавно опубликованном в журнале Cell Reports Physical Science, исследователи первыми достигли динамической перестраиваемости материала с фазовым переходом. В их революционном методе используются ионы и уникальный материал с фазовым переходом, который сочетает в себе накопление тепловой энергии с накоплением электрической энергии, поэтому он может хранить и поставлять как тепло, так и электричество.

«Эта новая технология действительно уникальна, потому что она объединяет тепловую и электрическую энергию в одном устройстве», — сказал руководитель группы Applied Energy Materials Гао Лю, соавтор исследования. «Он функционирует как тепловая и электрическая батарея. Более того, эта возможность увеличивает потенциал накопления тепла благодаря возможности регулировать температуру плавления материала в зависимости от различных температур окружающей среды. Это значительно увеличит использование материалов с фазовым переходом.

Каур, также соавтор статьи, добавил: «В целом это помогает снизить стоимость хранения, поскольку теперь один и тот же материал можно использовать круглый год, а не только полгода».

В крупномасштабном строительстве эта комбинированная способность аккумулировать тепловую и электрическую энергию позволит материалу накапливать избыточную электроэнергию, вырабатываемую солнечными или ветровыми установками на месте, для удовлетворения как тепловых (нагрев и охлаждение), так и электрических потребностей.

Развитие фундаментальной науки о материалах с фазовым переходом

Еще одно исследование лаборатории Беркли, проведенное ранее в этом году, касалось проблемы переохлаждения, которое не является сверххолодным в некоторых материалах с фазовым переходом, потому что делает материал непредсказуемым, поскольку он не может каждый раз менять фазу при одной и той же температуре.Под руководством ассистента аспиранта лаборатории Беркли и аспиранта Калифорнийского университета в Беркли Дрю Лилли исследование, опубликованное в журнале Applied Energy, стало первой демонстрацией методологии количественного прогнозирования характеристик переохлаждения материала.

Третье исследование лаборатории Беркли, опубликованное в журнале Applied Physics Letters в этом году, описывает способ развития понимания фазового перехода на атомном и молекулярном уровне, который имеет решающее значение для разработки новых материалов с фазовым переходом.

«До сих пор большинство фундаментальных исследований, связанных с физикой фазового перехода, носили вычислительный характер, но мы разработали простую методологию для прогнозирования плотности энергии материалов с фазовым переходом», — сказал Прашер. «Эти исследования являются важными шагами, которые открывают путь к более широкому использованию материалов с фазовым переходом».

Яблоки к яблокам

В четвертом исследовании, только что опубликованном в журнале Energy & Environmental Science, разрабатывается схема, позволяющая проводить прямое сравнение затрат на батареи и системы хранения тепловой энергии, что до сих пор было невозможно.

«Это действительно хорошая платформа для сравнения — яблоки с яблоками — аккумуляторы и тепловые накопители, — сказал Каур. «Если бы кто-нибудь приходил ко мне и спрашивал: «Должен ли я установить Powerwall (система литиевых батарей Tesla для хранения солнечной энергии) или накопитель тепловой энергии», у меня не было возможности их сравнить.Эта структура дает людям возможность понять стоимость хранения на протяжении многих лет».

Структура, разработанная исследователями из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии и Окриджской национальной лаборатории, учитывает затраты на протяжении всего срока службы. Например, тепловые системы имеют более низкие капитальные затраты на установку, а срок службы тепловых систем обычно составляет от 15 до 20 лет, тогда как батареи обычно необходимо заменять через восемь лет.

Инструмент моделирования для развертывания накопителей тепловой энергии в системах отопления, вентиляции и кондиционирования зданий

Наконец, исследование с исследователями из Калифорнийского университета в Дэвисе и Калифорнийском университете в Беркли продемонстрировало технико-экономическую осуществимость развертывания систем ОВКВ с аккумулированием тепловой энергии на основе материалов с фазовым переходом.Сначала команда разработала имитационные модели и инструменты, необходимые для оценки экономии энергии, снижения пиковой нагрузки и стоимости такой системы. Инструмент, который будет доступен для общественности, позволит исследователям и строителям сравнивать экономику систем ОВКВ с накоплением тепловой энергии с полностью электрическими системами ОВКВ с электрохимическим накоплением и без него.

«Эти инструменты открывают беспрецедентную возможность изучить экономические аспекты реальных приложений ОВКВ, интегрированных с накоплением тепловой энергии, — сказал руководитель проекта Berkeley Lab Спенсер Даттон.«Интеграция аккумулирования тепловой энергии позволяет нам значительно снизить мощность и, следовательно, стоимость теплового насоса, что является важным фактором снижения стоимости жизненного цикла».

Затем группа приступила к разработке «готового к эксплуатации» прототипа системы ОВКВ для небольших коммерческих зданий, в которой использовались как холодные, так и горячие тепловые батареи на основе материалов с фазовым переходом. Такая система отключает как охлаждение, так и отопление от электрической сети. Наконец, команда проводит полевые демонстрации в масштабах жилых домов, уделяя особое внимание электрификации домов и переносу нагрузки на отопление и горячее водоснабжение.

«Если подумать о том, как энергия потребляется во всем мире, люди думают, что она потребляется в виде электричества, но на самом деле в основном она потребляется в виде тепла», — сказал Ноэль Бахтян, исполнительный директор Центра хранения энергии Berkeley Lab.